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陶瓷零件快速成型机的设计及 材料成型工艺研究 摘要 陶瓷零件快速成型技术的迅速发展对于缩短陶瓷零件的开发和制造周 期、降低生产成本以及开发特种异型陶瓷制品并进行性能评价具有重要意 义。 目前，可用于制备陶瓷零件的快速成型工艺主要有立体光刻成型 ( s l a ) 、分层实体制造( l o m ) 、熔融堆积成型( f d m ) 、选域激光烧结( s l s ) 和三维印刷( 3 d p ) 等，可用于制造陶瓷零件的快速成型机主要有：叠层成 型机、光敏固化成型机、激光烧结成型机、熔融沉积成型机和喷墨打印成型 机等。 上述这些设备中，激光设备造价偏高，喷墨打印和熔融沉积设备对陶瓷 材料的流动性要求较高，不易控制。因此，目前研究的趋势之一便是开发一 种专用于陶瓷零件快速成型的工艺及设备。 本论文在l o m 和f d m 的基础上，提出了一种利用蜡浆为造型材料， 石蜡为支撑材料，将陶瓷浆料逐层叠加，再经过排蜡和烧成处理，从而获得 陶瓷零件的层合速凝快速制造技术。设计了一套基于石蜡速凝特性的层合快 速成型系统，包括机械设备子系统的设计及p l c 控制系统的设计开发。并 研究和讨论了陶瓷材料的层合速凝快速成型工艺。 介绍了层合速凝快速成型系统的结构设计，其主要组成部分为：( 1 ) 刻 料系统，采用啄木鸟d x 4 5 2 5 型雕刻机的原理和机构；( 2 ) 铺料系统，包括 竖直和水平两部分，铺料平台的升降由步进电机带动滚珠丝杠导轨机构实 现，料仓的水平运动采用步进电机带动丝杠导轨机构实现。其中，料仓分为 两部分，分别盛放石蜡和陶瓷浆料，料仓中装有搅拌辊，使浆料在铺料过程 中被搅拌均匀，不发生沉淀。料斗外壳装有加热板，使石蜡被加热处于熔融 状态，料斗侧面装有刮板，与料斗同处于被加热状态，使其在刮平过程中不 粘连浆料或石蜡。工作时，先在铺料台上铺一层石蜡，用刻刀将所需要的形 状镂空，再铺一层陶瓷浆料，用刮板将多余的浆料刮走，镂空部分被陶瓷浆 料填充。重复上述步骤，逐层叠加，形成实体。 成型系统中铺料平台的可拆卸性使成型机同时具备去除材料和添加材 料两种加工功能，可以满足不同的加工要求。其特有的搅拌装置和加热装置 使该设备专用于陶瓷零件的快速成型，与现有的大部分陶瓷零件快速成型设 备相比，具有更强的针对性。 用p l c 对铺料系统的工艺过程按照控制要求编制程序，对步进电机及 驱动器进行了选取。经调试，控制系统符合工艺要求，程序合理可行。 根据快速原型制造技术的原理制备了石蜡薄层，并对其进行雕刻，而后 进行陶瓷蜡浆的填充以及逐层累积的工序操作，手工制备出一些形状简单的 原型试样，并对试样进行了排蜡和烧成处理，观察到试样在排蜡烧成后并未 出现变形情况。另外对叠层和未叠层试样进行了机械性能测试和断面形貌的 扫描，结果发现叠层材料和未叠层材料的强度相差不大，且叠层试样并未出 现分层现象，验证了本技术成型陶瓷零件的可行性。 关键词：快速成型，层合速凝，陶瓷零件，结构设计，p l c 控制系统，成 型工艺 d e s i g no fr a p i dp r o t o t y p i n g i a c h i n e f o rc e r a m i cp a r t sa n ds t u d y o nt h er a p i dp r o t o t y p i n g p r o c e s so fm 噙t e r i a l s r a p i dd e v e l o p m e n to fr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n o l o g i e sf o rc e r a m i c p a n sh a sm a d ei tp o s s i b l et os h o r t e nt h ee x p l o r a t i o na n dm a n u f a c t u r i n gp e r i o do f c e r a m i cp a r t s ，w h i c hg r e a t l yr e d u c e dt h ep r o d u c t i o nc o s t o nt h eo t h e rh a n d ，i ti s a l s oe s s e n t i a lt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p l e xt h r e ed i m e n s i o n a lc e r a m i cp a r t s a n de f f i c i e n te s t i m a t i o no f p r o p e r t i e si nas h o r tt i m e p r e s e n t l y , t h er pt e c h n o l o g i e sw h i c hc a nb eu s e dt om a n u f a c t u r ec e r a m i c p a r t si n c l u d es t e r e o l i t h o g r a p h y ( s l a ) ，l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ( l o m ) ， f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) ，s e l e c t i v e l a s e r s i n t e r i n g ( s l s ) ， 3 - d i m e n s i o n a lp r i n t i n g ( 3 d p ) ，e t e ，a n dr pm a c h i n e st h a tc a nb eu s e df o r c e r a m i cp a r t sm a i n l yi n c l u d el a m i n a t i o nm a c h i n e ，l i g h t s e n s i t i v es o l i d i f i c a t i o n m a c h i n e ，l a s e rs i n t e r i n gm a c h i n e ，f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n gm a c h i n ea n di n k - j e t p r i n t e r ( i j p ) ，e t c a m o n g t h er pm a c h i n e sm e n t i o n e da b o v e ，l a s e re q u i p m e n t sa r ge x p e n s i v e ， a n di j pa n df d m e q u i p m e n t ss t r i c t l yr e q u i r eg o o df l u i d i t yo ft h ec e r a m i cs l u r r y , s oi ti sd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h ep r o c e s s t h u so n eo ft h em a i nt r e n d so ft h en e w d e v e l o p m e n to fr pt e c h n o l o g i e sf o rc e r a m i cp a r t si st od e v e l o pas u i to fn e wr p t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n te x c l u s i v e l yu s e df o rc e r a m i cp a r t s i nt h i st h e s i s ，an o v e lr pm e t h o df o rc e r a m i cp a r t sw a sp r o p o s e db a s e do n l o ma n df d mt e c h n o l o g i e s al a m i n a t e ds l u r r ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw a s i n t r o d u c e df o r t h ea d d i n go fd i f f e r e n tl a y e r su s i n gw a xs l u r r yc o n t a i n i n gc e r a m i c p o w d e r sa st h em o l d i n gm a t e r i a l a n dt h ew a xa sa s s i s t a n tm a t e r i a l af i n a l c e r a m i cp a r tw a sf a b r i c a t e da f t e rw a xp y r o l y s i sa n ds i n t e r i n g al a m i n a t e dr p s y s t e mw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a le q u i p m e n ta n d p l cc o n t r o ls y s t e m a n dt h el a m i n a t e dc o a l i t i o nr pp r o c e s sf o rc e r a m i cp a r t w a s i n v e s t i g a t e da n d d i s c u s s e d t h ei n t e g r a t e ds t r u c t u r eo ft h ed e s i g n e ds y s t e mi s i n t r o d u c e d ，a n di t i n c l u d e st w op a r t s ：( 1 ) g r a v i n gs y s t e m i ti sb a s e do nt h e p r i n c i p l ea n d c o n s t i t u t i o no fw o o d p e c k e rd x 4 5 2 5c a r v i n gm a c h i n e ；( 2 ) p a v i n gs y s t e m i t c o n t a i n sv e r t i c a la n dl e v e lt w op a r t s ，w i t he l e v a t i o na n df a l l i n gd o w no fp a v i n g f l a ta n dh o r i z o n t a lm o v e m e n to fs t o r a g eb i nr e s p e c t i v e l yp e r f o r m e db yt h e s t r u c t u r e so fs t e p p e rm o t o rd r i v i n gb a l ls g r e wa n ds g r e w t h es t o r a g eb i nw a s d i v i d e di n t ot w op a r t sw h i c hc o n t a i nw a xa n dc e r a m i cs l u r r yr e s p e c t i v e l y , a n d t h e r ei sar o l l e rf i x e di nt h es t o r a g eb i n ，s ot h a tt h es l u r r yc o u l db em i x e d h o m o g e n e o u s l ya n ds l u r r yd e p o s i t i o nc o u l d b ea v o i d e d ah o tp l a t ew a sf i x e do n t h es t o r a g es h e l lt ok e e pt h ew a xi nf u s i n gs t a t e a n das c r a t c hb o a r dw a sf e do n t h es i d eo fs t o r a g eb i n ，w h i c hw a sa l s oh e a t e di no r d e rt oa v o i da d h e s i o no f s l u r r ya n dw a x w h e nt h es y s t e mw o r k s ，al a y e ro fw a x i sp a v e do nt h ep a v i n g f l a t ，a n dt h er e q u i r e dp a t t e mo nt h ew a xl a y e ri se n g r a v e du s i n ge t c h i n gk n i f e ， t h e nal a y e ro fc e r a m i cs l u r r yi sp a v e da n dt h er e d u n d a n ts l u r r yi ss g r a p e da w a y , a f t e rt h eh o l l o w e d o u tp a r to nt h ew a x l a y e ri sf i l l e dw i t ht h ec e r a m i cs l u r r y , t h e p r o c e d u r e sm e n t i o n e da b o v ea r er e p e a t e d ，a n da ne n t i t yc o u l db ef o r m e d i nt h i se q u i p m e n t , t h ed e t a c h a b i l i t yo ft h ep a v i n gf i a tm a k ei th a v et h e f u n c t i o no fb o t hr e m o v i n ga n da d d i n gm a t e r i a l s ，a n di tc o u l ds a t i s f yd i f f e r e n t p r o c e s sd e m a n d s t h es p e c i a ls t i r r i n ga n dh e a t i n gd e v i c e sm a k ei te x c l u s i v e l y u s e df o rt h er a p i dp r o t o t y p i n go fc e r a m i cp a r t s a p r o g r a mf o r t h ep r o c e s so fp a v i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l d e m a n d sw a sc o m p o s e du s i n gp l cc o n t r o ls y s t e ma n dt h es t e p p e rm o t o ra n d d r i v e rw e r ec h o s e n t h er e s u l to fd e b u gs h o w st h a tt h ec o n t r o ls y s t e ms a t i s f i e s t h ep r o c e s sd e m a n d s ，a n dt h ep r o g r a mi sr a t i o n a la n df e a s i b l e f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fr pt e c h n o l o g y , w a xb o a r dh a sb e e n p r e p a r e da n ds o m ep a t t e r n sw e r ec a r v e do u to nt h ew a xb o a r df o l l o w e db yt h e p r o c e s s e so fs l u r r yf i l l i n ga n dl a y e r sp i l i n gu p t h e nt h eo b t a i n e dp r o t o t y p ew a s s i n t e r e dt of o r mt h ef i n a lc e r a m i cp a r t s ，a n dt h e r ei sn od i s t o r t i o ni nt h es a m p l e a f t e r s i n t e r i n g t h e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ea n dt h e s e mt e s t so ft h e g r o s s s e c t i o no fl a m i n a t e da n du n l a m i n a t e ds a m p l e sh a v eb e e nc a r r i e do u t ，a n d i v t h er e s u l t ss h o wt h a ts t r e n g t hv a l u eo ft h el a m i n a t e ds a m p l ei sn e a rt ot ot h e u n l a m i n a t e ds a m p l ea n dt h e r ei sn ol a m i n a t i o no ft h el a m i n a t e ds a m p l e t h e f e a s i b i l i t y o f r a p i d f a b r i c a t i o no fc e r a m i cp a r t s u s i n g w a x s l u r r y w a s d e m o n s t r a t e d k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ，l a m i n a t e d c o a l i t i o na n dr a p i dc o n c r e t i n g ， c e r a m i cp a r t s ，s t r u c t u r ed e s i g n ，p l cc o n t r o ls y s t e m ，p r o t o t y p i n gp r o c e s s v 陶瓷零件快速成型机的设计及材料成型工艺研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：- j 匿卑 日 期：三幽早圭皿 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：碑导师签名：日期： 陶瓷零件快速成型机的设计及材料成型工艺研究 l 文献综述 1 1 快速原型制造技术概述 1 1 1 快速原型制造技术的概念及原理 快速原型制造技术( r a p i dp r o t o t y p l n ga n dm a n u f a c t u r i n g , r p m ) 也称离散堆积制造 ( d i s p e r s e d a c c u m u l a t e df o r m i n g ) 、材料累积制造( m a t e r i a li n c r e a s i n gm a n u f a c t u r i n g , m i m ) 、分层制造( l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g , l m ) ，实体自由成型制造( s o l i df r e e f o r m f a b r i c a t i o n 。s f f ) 、即时制造( i n s t a n t m a n u f a c t u r i n g ) 等，它是一项集多门现代科学技术 于一体的高新技术，是一种全新的制造技术，以极高的柔性获得制造业和学术界的极大 关注1 1 1 。 快速原型制造技术将计算机辅助设计与制造( c a d & c a m ) 、精密伺服驱动、计算 机数控( c n c ) 、激光技术及材料科学等先进技术集于一体，应用全新的生长制造原理， 依据计算机上构造的产品三维设计模型，在其高度方向对其进行分层切片，得到各层截 面的轮廓线，然后在快速成型设备上按照这些轮廓线，或用激光束选择性地切割一层层 的纸，或固化一层层的液态光敏树脂，或熔化塑料粉、金属基陶瓷基粉来烧结一层层的 粉末材料，或用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂、热塑性材料等，从而形成各截面 轮廓，并逐步叠加成三维产品刚。 快速原型制造技术的成型原理突破了传统加工中的成型法( 如锻压、冲压、拉伸、 铸造、注塑加工) 和切削加工的工艺方法，其本质是用积分法制造三维实体。尽管它可 以用多种工艺方法来实现，但各种方法的基本原理都是一样的，都是基于离散堆积的成 型思想，其技术原理如图i - i 所示嘲。 图i - i 快速原型制造技术原理 f i g 1 1p r i n c i p l eo fr p m 1 1 2 快速原型制造技术的分类 快速原型制造技术的成型工艺有很多，例如立体印刷成型、层合实体制造、选域激 陕西科技大学硕士学位论文 光烧结、熔融沉积成型、三维喷涂粘结、焊接成型、数码累积造型等。按照原料的种类 不同可将这些技术分为固相法、液相法、气相法以及固气相法四类1 6 - 1 e l ，如表1 - 1 所示。 袁1 - 1 快速原型制造技术的分类 t a b l e1 - 1t h es o r to f r pt e c h n o l o g y 1 1 3 快速原型制造技术的过程和特点 a 快速原型制造技术的一般过程1 1 l i 哪 ! ) 用三维造型软件在计算机中生成一个产品的三维c a d 实体模型或曲面模型： 2 ) 将其转换为s t l 文件格式，然后运用分层切片软件从s t l 文件“切”出设定厚 度的一系列的片层，或者直接从c a d 文件切出一系列的片层； 3 ) 将上述每一片层的资料传到快速成型机，类似于计算机向打印机传递打印信息； 4 ) 通过材料逐层添加法依次将每一层做出来并同时粘结各层，直到完成整个零件； 5 ) 去除废料、固化、烧结、渗透、打磨和抛光等后处理。 b 快速原型制造技术的特点 1 ) 制造快速 快速原型制造技术是并行工程中进行复杂原型和零件制作的有效手段。从产品c a d 或从实体反求获得数据到制成原型，一般只需要几小时至几十个小时。速度比传统成型 加工方法快得多。这一新技术尤其适合于新产品的开发，适合小批量、复杂( 如凹槽、 凸肩、空心和嵌套等) 异型产品的直接生产而且不受产品形状复杂程度的限制。新技术 改善了设计过程中的人机交流，使产品设计和模具生产并行，从而缩短了产品设计、开 发的周期，加快了产品更新换代的速度，大大地降低了新产品的开发成本和企业研制新 产品的风险旧。 2 陶瓷零件快速成型机的设计及材料成型工艺研究 随着互联网的发展，快速原型制造技术也更加便于远程制造服务。由于互联网便捷 的数据传输缩短了用户和制造商之间的距离，利用互联网就可以进行远程设计和远程制 造服务，能使有限的资源得到充分的利用，用户的需求也可以得到最快的响应。 2 ) 技术高度集成 落后的计算机辅助设计工艺规划( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g , c a p p ) 一直是 实现设计与制造一体化较难克服的一个障碍。快速原型制造技术是计算机技术、数据采 集与处理技术、材料工程和机电加工与控制技术的综合体现。只有在这些高新技术迅速 发展的今天才可能使c a d 和c a m 很好地结合，实现设计与制造一体化1 1 6 1 。 3 ) 自由成型制造 自由成型的含义有两个：一是指可以根据原型或零件的形状，无需使用工具、模具 而自由的成型，由此大大缩短新产品的研制时间并节省工具或样件模具费用；二是指不 受形状复杂程度限制，能够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件旧。 4 ) 制造过程高柔度性 共同的制造原理使快速原型制造系统在软件和硬件的实现上7 0 8 0 是相同的，也 就是在一个现有的系统上仅增加2 0 3 0 的元器件和软件功能就可进行另一种制造工 艺。不同工艺原理的设备容易实现模块化，可相互切换；对于整个制造过程，仅需改变 c a d 模型或反求数据结构模型，更新调整和设置参数即可生产出不同形状的原型或零 件，还能借助电铸、电弧喷涂等技术进一步将塑胶原型制成金属模具嘲。 5 ) 可选材料的广泛性 快速原型制造技术可以采用的材料十分广泛，如可以采用树脂类、塑料类原料，纸 类、石蜡类原料，也可采用复合材料，金属材料或陶瓷材料的粉末、箔、丝，小块体等， 也可以是涂覆某种粘结剂的颗粒、板、薄膜等材料。 6 ) 广泛的应用领域 除了制造原型外，这项技术也特别适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、 不规则零件或复杂形状零件的制造、模具及模型设计与制造、外形设计检查、装配检验、 快速反求与复制，也适合于难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业的产品造型与 模具设计领域，而且在材料科学与工程、工业设计、医学科学、文化艺术、建筑工程等 领域有广阔的应用前景。 7 ) 突出的技术经济效益 新技术制得零件的复杂程度和生产批量与原型或零件的制造成本基本无关，也降低 了小批量产品的生产周期和成本，这有利于把握商机，考虑新颖、复杂甚至是以往认为 没有效益的制造要求。快速原型制造属于非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀 具和夹具，避免了刀具磨损和切削力影响。制造过程无振动、噪声，没有或极少下脚料， 3 陕西科技大学硕士学位论文 是一种环保型制造技术。同时，这一技术也减少了对熟练技术工人的需求1 1 3 1 。 1 2 快速原型制造技术在陶瓷领域的应用 先进陶瓷( t g 称高性能陶瓷) 以其特有的轻质、高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀 和功能性等一系列优异的特性，成为航空、航天、能源、机械、电子信息、生物工程等 高技术的重要组成部分和不可缺少的物质基础。因此，先进陶瓷材料已成为各国科学家、 政府及产业部门研究的重点之一。然而近二十年来，高性能陶瓷的产业化进展缓慢，这 有许多原因，其中，陶瓷材料的制备工艺是关键因素之一。人们已经认识到陶瓷材料制 备工艺是降低陶瓷制品生产成本、提高陶瓷材料可靠性和可重复性不能逾越的环节。新 的陶瓷粉体的制备工艺、成型工艺及烧结工艺的研究逐渐成为陶瓷材料研究领域的重点， 其中陶瓷材料成型工艺的研究已逐渐成为陶瓷制备工艺科学研究的主流。研究表明，陶 瓷制品的成型是材料设计和材料配方实现的前提，在材料的制备工艺中起着承上启下的 作用，因而，它是限制高性能陶瓷产业化的主要问题之一 近年来，人们将发展传统陶瓷成型方法和开发新型陶瓷成型技术作为研究重点，各 种新型成型技术不断涌现，其中典型的一类就是陶瓷的胶态成型技术。陶瓷胶态成型是 高分散陶瓷悬浮体的湿法成型，与干法成型相比，它可以有效控制团聚，减少缺陷。但 是，传统的胶态成型也存在一定的缺点，如注浆成型、压滤成型形成的坯体存在着密度 梯度和不均匀性。注射成型虽然有助于提高坯体密度和均匀性，但是有机物的加入容易 导致开裂等缺陷嗍。 为克服传统胶态成型技术的缺点，近年来各种新型胶态成型技术不断涌现。其中， 较为典型的有流延法成型( t a p ec a s t i n g ) l 蛳、凝胶注模成型( g e lc a s t i n g ) 嘲、直接凝 固成型( d i r e c tc o a g u l a t i o nc a s t i n g ) 1 2 1 1 等方法。国内清华大学陶瓷精细成型国家重点实 验室的黄勇等在胶态成型方面研究较为深入，曾系统研究过直接凝固成型、凝胶注模成 型等方法在制备口a 1 2 0 3 、z r 0 2 、s i c 等材料方面的应用 z z - 2 - | 。 然而，无论是新型胶态成型方法，还是传统胶态成型以及干法成型等方法，都没有 摆脱模具对陶瓷生产的制约，这种状况显然无法满足日益激烈的市场竞争、日益缩短的 产品更新周期和频繁的产品试制和改型。固体无模成型( s o l i df r e e f o r mf a b r i c a t i o n ，s f f ) 的出现则很好地解决了模具的问题。 无模成型实际上是r p 技术在陶瓷制造技术上的应用。由于快速原型制造技术借助于 计算机辅助设计，或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料 的组合信息，从而获得目标原型的概念，并以此建立数字化模型，之后将这些信息输出 到计算机控制的机电集成制造系统，通过逐点、逐面进行材料的“三维堆砌”成型，再 经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，从而达到快速、准确 4 陶瓷零件快速成型机的设计及材料成型工艺研究 地制造原型或实际制件，目前其发展趋势之一是结合陶瓷制造技术，使之用于陶瓷产品 的制造。 1 2 1 陶瓷零件快速原型制造技术的国内外研究现状 a 激光选区烧结成型( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g , s l s ) 口嗍 该技术最早由cd c c k a r d 蓍q l j b e a m a n 开发成功，并由d t m 公司实现商业化。图1 2 为其原理示意图。在s l s 中，首先将粉料铺在工作平台上，然后利用计算机控制的激光 束扫描特定区域的粉末，使该区域的粉末受热熔融从而逐层粘结固化。当这一层扫描完 毕后，添加新一层的粉料，继续重复上述工作，最终形成三维部件。用于该技术的原料 可以是塑料、蜡粉、金属粉和陶瓷粉等。一般经s i s 加工的陶瓷坯体致密化程度较低， 需要后续的烧结处理。 m a r c u s 等利用s l s 制成了a 1 2 0 3 齿轮和其它零部件，具有较高的成型精度。c g r i f f i n 等利用s l s 成型的a 1 2 0 3 陶瓷部件，坯体密度可达理论密度的5 3 6 5 。 图1 - 2 瑚洗选区蟥游成型示意图” f i 晷i - 2 s c h e n k 碰c 劬l s t f 越i o fs l s r g o o d r i d g e 等利用间接s i s 技术制备了可用于骨替换的磷灰石莫来石玻璃陶瓷 材料。其研究的体系为可浇铸的s i 0 2 - a 1 2 0 3 - p 2 0 5 一c a o - c a f 2 系统，成型过程中以丙烯酸 为粘结剂，晶化后获得磷灰石及莫来石主晶相。研究结果认为用间接s l s 技术能制备出 具有良好结构整体性的生坯，经过有机物粘结剂的排除、晶化以及烧结可得到性能良好 的玻璃陶瓷材料。 j p k r u t h 等研究了选域激光烧结有色金属粉末的合适参数，这些参数有助于开发 高密度及优质表面性能的产品。研究人员运用l 9t a g u c h i 设计，考虑了扫描速度、扫描 空间及层厚等因素，制备出样品并研究了光束能量对制品性能的影响。研究发现，渗透 深度对制品的强度有很大影响。 j l o r r i s o n 等用s is 制备了s i 0 2 - 舢2 0 3 - c a o c a f 2 p 2 0 s 系统的磷灰石莫来石玻璃陶 瓷材料及羟基磷灰石一磷酸盐玻璃材料。d t a 、s e m 、x r d 分析结果表明，只能在低速 5 陕西科技大学硕士学位论文 扫描速度及低能量的情况下才能合成玻璃陶瓷材料，并且生成的组分相对较脆。但是， 制备羟基磷灰石磷酸盐玻璃条件相对较宽，并且制备的制品有望用于植入材料。 j p k r u t h 等综述了s l s 及s l m 中的不同结合机理，认为s l s s l m 过程可以分为四 类，即固态烧结( s o l i ds t a t es i n t c r i n g ) 、化学引发结合( c h e m i c a l l yi n d u c e db i n d i n g ) 、 液相烧结- 部分熔融( 1 i q u i dp h a s es i n t e r i n g p a r t i a lm e l t i n g ) 及全熔( f u l lm e l t i n g ) 。他们 认为大多数的成型过程属于后两类，并且结合机理极大地影响成型速度并能带来迥异的 产品性能。 目前研究选域激光烧结工艺的有d t m 公司、e o sg m b h 公司、北京隆源公司、南京 航空航天大学和华中理工大学等。选域激光烧结设备主要有d t m 公司的s i n t e r s t a t i o n 和 e o sg m b h 的e o s s i n t 系列产品。d t m 公司的选域激光烧结设备主要有s l a - 5 0 0 、 s i n t e r s t a t i o n 2 0 0 0 、a f s - 3 0 0 和f d m l 6 0 0 等系列。北京隆源公司推出了a f s - 3 0 0 成型机及 数种材料，其最大成型尺寸为f 3 0 0 m m x 4 0 0 m m ，采用c 0 2 激光器，功率为5 0 w ，激光定 位精度为0 1 m m ，扫描速度为0 5 2 m s ，烧结成型的层厚为0 1 0 2 5 m m 。华中理工大 学开发出了h r p s i 型成型机。 b 三维打印成型( 3 d i m e n s i o n a lp r i n t i n g , 3 d p ) p 0 3 q 图1 3 三维打印成型示意图” f i g 1 - 3 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f3 d p 该技术主要由美国的s o l u g c n 公司和m i t 开发。3 d p 的成型过程与s i s 相似，只是将 s l s 中的激光器发射激光束变成喷墨打印机喷射结合剂。其原理如图1 3 所示。该技术对 制造致密的陶瓷制件具有较大的难度，但在制造多孔的陶瓷制( 如金属陶瓷复合材料的 多孔坯体或陶瓷模具等) 方面具有较大的优越性。 m 1 1 r 的e s a c h s 等利用3 d p 成型了三维陶瓷零件，成型用粉体为a 1 2 0 3 ，粘结剂为胶 状的硅酸，成型的制件共5 0 层，每层厚0 0 0 5 i n c h 。 c 熔融沉积成型( r a s e dd e p o s i t i o no f c e r a m i c s f d c ) 晦明 6 陶瓷零件快速成型机的设计及材料成型工艺研究 f d c 技术是由f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 技术发展而来的，f d m 技术是由 s t r a t a s y s 公司开发成功并实现商业化的，其成型原理如图1 4 所示。在f d m 中，通过计算 机控制将由高分子或石蜡制成的细丝送入熔化器，在稍高于其熔点的温度下熔化，再从 喷嘴挤至成型平面上，通过控制喷嘴在x y 方向和工作平台在z 方向的移动可以实现三维 部件的成型。r u t g e r s 大学和a r g o n n e r 菊家实验室将这种技术应用于陶瓷生产，并称之为 f u s e dd e p o s i t i o no fc e r a m i c s ( f d c ) 。f d c 生产效率较高，但表面精度较低。在f d c 中 通常将陶瓷粉体与特制的粘结剂混合，挤制成细丝。该工艺对丝材的要求较为严格，需 要合适的粘度、柔韧性、弹性模量、强度和结合性能等。 耍工件 l - 垂看千台l ”圈l - 4 熔融沉积成型示意图啪 1 - 4s c h m m f i c 曲l s i 咖o f f d c s t e p h e n 等对s i 3 n 4 和a 1 2 0 3 的成型进行了研究，但由于细丝缺乏足够的柔韧性而不能 连续进给，而且制件密度较低。 s r a n g a r a j a n 等研究了s i 龇熔融沉积成型过程中给料的粉体成型过程、流变学特性 及机械力学性能。以s i 3 n 4 ( g s 4 4 ) 为陶瓷粉体，r u 9 为粘结剂，油醇为分散剂，研究了 温度、固含量及油醇浓度对浆料粘度的影响。研究表明，油醇充当增塑剂后浆料表现出 剪切变稀的行为。r u 9 中加入s i v 1 4 ( g s 4 4 ) 的浆料粘度随温度增加减小，但随着固含量 的增加而增大。1 8 5 下5 5 v 0 1 固含量的浆料粘度在4 9 7 p a s 之间，对应的剪切速率在 7 0 1 1 2 8 s l ，合适的挤出参数对应于1 1 a p 三类，如表3 _ l 所示。 表3 - 1 p l c 的规模分类 t a b l e3 ts c a l ec l a s s i f i c a t i o no f p l c 、登价指标 输入输出点数 程序存储容量 p l c 嬲 ( - - 者总点数)( k b = 千字) 小型p l c小于1 2 8 点1 k b 以下 中型p l c1 2 8 点至5 1 2 点1 4 l 口b 大型p l c 5 1 2 点以上4 k b 以上 存储器容量的大小决定存储用户程序的步数或语句条数的多少，输入输出点数与程 序存储器容量之间有内在的联系。当输入输出点数增加时，顺序程序处理的信息量增大， 程序加长，因而需加大程序存储器的容量。 一般来说，数控车床、铣床、加工中心等单机数控设备所需输入或输出点数多在1 2 8 点以下，少数复杂设备在1 2 8 点以上。而大型数控机床，f m c 、f m s 、f a 则需要采用 中规模或大规模p i c 为了突出可编程序控制器作为工业控制装置的特点，或者为了与个人计算机“p c ” 或脉冲编码器。p l c ”等术语相区j 5 1 i ，除通称可编程控制器菇“p l c ”外，目前不少厂 家t 其中有些是世界著名的p l c 厂家，还采用了与p l c 不同的其他名称。现将几种常 见名称列举如下； 微机可编程控制器( m i c r o p r o c e s s o rp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , m p c ) 可编程接口控制器( p r o g r a m m a b l ei n t e r f a c ec o n t r o l l e r , p i c ) 可编程机器控制器( p r o g r a m m a b l em a c h i n ec o n t r o l l e r , p m c ) 可编程顺序控制器( p r o g r a m m a b l es e g u e n c ec o n t r o l l e r , p s c ) 3 1p l c 编程 3 2 1 铺料系统的工艺过程及处理程序流程 陕西科技大学硕士学位论文 图3 - 2 处理程序流程图 f i g 3 - 2f l o w c h a r to fh a n d l e r 塑塑兰堡堡垄壁型垫塑丝生墨型型盛型三茎塑窒 图3 - 3 初始化流程阻 f i 善3 - 3f l o w c h a r to f i n i t i a l i z a t i o n a 关闭所有输出 ( 1 禁止脉冲输出 2 关闭石蜡，陶瓷料斗 3 停止加热及搅拌) b 设错误标记，打开错误指示灯 图3 - 4 错误处理程序流程图 f i g 3 - 4 f l o w c h a r t o f e r r o r h a n d l e r i九错误提示处理程序 1 丑急停复位 图3 - 5 急停处理程序流程图 f i g 3 - 5 f l o w c h a r to f j e r kh a n d l e r 陕西科技大学硕士学位论文 a 关闭所有输出 ( 1 禁止p e l s e o ，p u l s e l 输出 2 关闭石蜡，陶瓷料斗 3 停止加热及搅拌) b 设错误标记，打开错误指示灯 c 第一次按键置位 d 复位 图3 - 6 初始化处理程序流程图 f i g 3 - 6 f l o w c h a r to fi n i t i a l i z a t i o nh a n d l e r 1 ) 在系统的初始状态( 料斗停在原位，刻刀及丝杠