（机械工程专业论文）木塑熔融快速成型实验装置研究.pdf

摘要 摘要 快速成型技术是近年来发展起来应用于制造业的高新技术，也是当前各大学、研究 机构和企业竞相开发的前沿制造技术。本文首先介绍了快速成型的基本概况及发展趋 势。指出影响快速成型技术推广的瓶颈是原料成本较高。本文提出了改变成型材料，以 此降低生产成本，从而加快快速成型技术的推广。 传统的快速成型材料通常采用光敏树脂、专用纸、石蜡、酚醛树脂塑料、金属等， 不但生产成本较高，且材料很难降解，不利于环保。本研究选择木塑材料为f d m 快速成 型原料，依托东北林业大学在木材方面的优势，进行基于木塑的熔融沉积快速成型的实 验研究，为熔融快速成型技术提供了一种经济可行的新材料。 由于木塑材料的特殊性，成型机结构有独特性，本文设计了木塑f d m 成型实验装 置，并对关键零件进行了重点设计。喷头是成型实验的关键部件，直接影响到实验零件 的成型质量。本课题首先对喷头进行了结构设计，并应用a n a s y 软件进行受力分析，验 证其合理性。由于熔融沉积实验需要喷头与工作台产生位移，根据实验实际，选用合适 的升降机，将成型工作台设计为三维运动可控的。针对木塑材料的特殊性，设计出双轮 驱动的送丝机构，对送丝机构驱动轮的各项参数进行优化，使其满足实验要求。挤出是 实验的关键步骤之一，其中螺杆直接影响着挤出材料的性能，故对螺杆的选用也是本文 研究的一个重点。 木塑材料对实验的温度有较高要求，本文设计了基于汇编语言的喷头温度控制系 统，用以控制实验温度。对熔融态材料在三维工作台的冷却过程进行模拟，保证材料在 成型时，上一层零件不会坍塌。最后阐述了实验材料制备及熔融沉积成型实验过程。对 生成零件进行了硬度、抗拉强度、冲击强度、弯曲强度的性能测试。实验结果表明，基 于木塑的熔融快速成型件力学性能强于木塑激光烧结成型件，但此实验零件的成型精度 及表面质量还有待提高。 关键词快速成型；熔融沉积；木塑；实验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) i sak i n d o fh i g h n e wt e c h n o l o g ya p p l i e d o nm a n u f a c t u r e d e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，w h i c hi sc o m p e t i t i v e l yr e s e a r c h e di nu n i v e r s i t i e s ，i n s t i t u t e s ，a n d c o r p o r a t i o n sa sw e l l i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t t r e n di si n t r o d u c e df i r s t h o w e v e ht h ee x p e n s i v ep r i m ec o s to fr a wm a t e r i a lr e s t r a i n st h ep r o m o t i o no fr a p i dp r o t o t y p i n g i no r d e rt oa c c e l e r a t et h es p r e a ds p e e do fr p , w ec h a n g et h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a lt oc u td o w n t h ee x p e r i m e n t a lc o s t ，a n dt h a ti st h eo b j e c to ft h i sr e s e a r c ht o p i c t h et r a d i t i o n a lr pa d o p t e dp h o t o s e n s i t i v er e s i n , t h e r m o p l a s t i c ，d i s t i n c t i v ep a p e r , p a r a f f i n ， p h e n o l i cr e s i np l a s t i ca n dm e n t a l ，e t c n o to n l yt h ep r o d u c t i o nc o s tw a sh j 【g h ，b u ta l s ot h e s e m a t e r i a lw a sh a r dt od e g r a d a t i o n ，w h i c hw a sh a r mt oe n v i r o n m e n t t h i se x p e r i m e n td e s i g n e da m e t h o dt of u s e dd e p o s i t i o nr a p i dp r o t o t y p i n gb a s e do nw o o df l o u r , r e l i e do ns u p p o r to ft h e t i m b e rd o m i n a t eo fn o r t h e a s tf o r e s t r yu n i v e r s i t y , w h i c hg a v eat y p eo fe c o n o m i c a l l ya n d f e a s i b l ea d v a n t a g e dm a t e r i a l n o z z l ei sak e yc o m p o n e n to ff o r m i n ge x p e r i m e n t ，i m m e d i a t ei n f l u e n c et oe x p e r i m e n t q u a l i t y t h i st o p i cf i r s th a sc a r r i e do n t h ed e s i g nt ot h en o z z l e ，i n t r o d u c t i o nh o wt oc o n t r o lt h e n o z z l et e m p e r a t u r e a n dt h a nc a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h en o z z l e ，c o n f m n e dt h ed e s i g ni s r a t i o n a l i t y t h ei s s u ei sc a r r i e do u t 、) l ，i mw o o dp l a s t i cm i x e dp o w d e ru n s h a p e de x p e r i m e n ta n d c o r r e s p o n d i n gs h a p e de x p e r i m e n tm e c h a n i c a ld e s i g n m e l t i n gd e p o s i t e de x p e r i m e n tr e q u i r e s t h es p r i n k l e rt oe x e c u t e3 - d i m e n s i o n a lm o t i o n c h o o s ep r o p e rl i f tt od e s i g na3 - d i m e s i o n a l c o n t r o l l a b l es h a p e dw o r k i n gt a b l ea c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t s s c r e wa n dg e a r a r ec h e c k e da tt h em e a n t i m e ，w i r ef e e d i n gm e c h a n i s mf o rt w ow h e e ld r i v ei sd e s i g n e d ， v a r i a b l e so p t i m i z a t i o no fw i r ef e e d i n gm e c h a n i s md r i v ew h e e l sa r em a d et os a t i s f yt h e e x p e r i m e n tr e q u i r e s a g a i n s tt h ew o o dp l a s t i cm a t e r i a l si nt h ep a r t i c u l a r i t y ，d e s i g no ft h e d r i v ew h e e lo fs i l k ，d r i v i n gw h e e lo nt h ew i r ef e e d e rt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r s ，t om e e tt h e t e s tr e q u i r e m e n t s e x t r u d e ri so n eo ft h ec r i t i c a le q u i p m e n t s ，t h ev a r i a b l e so fs c r e wp u m pw i l l a f f e c te x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s ot h ec h o i c eo fs c r e wp u m pi sa l s oa ni m p o r t a n ts e c t i o ni nt h i s p a p e r t h et e m p e r a t u r eo fe x p e r i m e n ti sr e q u i r e dm o r eh i g h l yf o rt h ep a r t i c u l a r i t yo fp l a s t i c w o o dm a t e r i a l t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rn o z z l eh a sb e e nd e s i g n e db a s e do n a s s e m b l el a n g u a g e ，t oe n s u r et h ec o n t r o lo fe x p e r i m e n tt e m p e r a t u r e t h r e eo ft h em o l t e n m a t e r i a li nt h et a b l et os i m u l a t et h ec o o l i n gp r o c e s st oe n s u r et h em a t e r i a li nt h em o l d i n g ，t h e u p p e rl a y e ro fp a r t sw i l ln o tc o l l a p s e f i n a l l y , t h ep r e p a r a t i o no fe x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n d p r o c e s sh a sb e e ni n t r o d u c e d t h ep e r f o r m a n c e so fp a r t sh a v eb e e nt e s ti nh a r d n e s s ，t e n s i l e s t r e n g t h , i m p a c ts t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tm e c h a n i c a l a b s t r a c t p r o p e r t i e so f t h er a p i dm e l t i n gp l a s t i cm o l d e dp a r t si ss t r o n g e rt h a nw o o dl a s e rs i n t e r i n gp a r t s ， b u tt h ef o r m i n gp r e c i s i o no f e x p e r i m e n t a lp a r tn e e dt ob ei m p r o v e d ，a sw e l la sp o s t p r o c e s s i n g m e t h o d s k e y w o r d sr a p i dp r o t o t y p i n g ；m e l t i n gd e p o s i t e ；w o o dp l a s t i c ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h u i l 绪论 1 绪论 机械制造业是国民经济的基础，在国民生产中，比重占到了6 0 以上。它的发展直 接影响着国民经济各个部门的发展，所以各国都把机械制造的发展放在了首要位置。二 战结束后，伴随着科技的迅猛发展，制造业也经历了一场深刻的变革f 1 2 1 。但进入7 0 年 代，制造业的发展变的缓慢。麻省理工学院( m i t ) 在美国科学技术基金会( n s f ) 支持 下，深入的研究了制造业衰退原因及振兴对策，认为产品在上市时间( t ) 、质量( q ) 、成 本( c ) 和服务( s ) 产品竞争四大关键因素中，质量已不再是市场竞争的最重要因素，创新 周期的缩短成为左右市场占有率的关键。 空前激烈的市场竞争，迫使制造企业以更快的速度设计，制造出性能价格比更高的 产品，以满足客户的需要1 3 , 4 1 。采用传统的机械加工工艺，不但需要多种的机床模具， 而且还需要熟练的技术工人，成本较高，开发周期往往长达几星期甚至数月1 5 1 。因此制 造业要想求得生存与发展，就必须面对新形势，融入新技术，适时的向客户推出满足市 场需要的新产品。当然一系列的新技术也孕育而生，如c a d ，c a m ，逆向工程技术， 虚拟技术，快速成型技等等。快速成型技术在缩短产品开发周期，迅速占领市场方面表 现的尤为突出，在发达国家迅速的得到推广和应用，成为支持产品创新的新技术 6 j 。 1 1 快速成型的概述 快速成型技术是上世纪8 0 年代末期开始兴起的高新制造技术【7 1 ，是以计算机、数 控技术、激光技术、材料科学、微电子技术等作为其基础。快速成型技术的出现，使得 制造业突破了以往的生产模式，为制造业的发展提供了前所未有的机遇【8 】。 1 1 1 快速成型技术原理 快速成型技术依靠计算机进行三维系统建模，生成产品的三维实体模型或曲面计算 机图形。产品的设计人员根据需求，运用计算机辅助设计软件设计出三维模型。主要的 设计软件包括p r 嗍n g n e e r i n g ，s o l i d w o r k s ，a u t o c a d ，u g 等。产品上有 许多不规则的复杂曲面，在成型之前需要对这些曲面进行处理。目前最普遍的方法是采 用d s y s t e m 开发的s t l 文件格式，将3 d 文件转换为s t l 文件格式，用专用的s t l 文件格式进行分层处理，切出一定厚度的分层切片，生成二维轮廓。扫描路径将以其为 边界，进行一层一层的热熔或粘接，三维实体图形就此生成零件实物。一般来说，三维 实体生成之后，要对零件进行后处理，使成型精度，表面粗糙度到达设计要求。 快速成型技术显著的特点是：可以由c a d 直接驱动，制造出任意复杂的三维集合 实体。采用增材的方法，用一层层的小毛坯来积累得到工件，彻底摆脱了传统工艺采用 去除工件上的多余的毛坯材料的方法来得到工件【9 1 。因此成型过程中基本不用夹具和模 具，只需传统加工方法工时的l o 州o ，成本的2 0 - - 3 5 o o j 。 东北林业人学硕i ：学位论文 1 1 2 快速成型技术的分类 快速成型按沉积材料的几何形态可以分为下三种： 从点到实体的沉积可分为：光固化快速成型、选择性激光烧结。 从线到实体的沉积可分为：熔融沉积快速成型。 从面到实体的沉积可分为：实体消磨固化、分层实体制造。 比较成熟的成型的技术不少于3 0 种，但研制成功并应用于商业化的技术有仅有以 下几种。 ( 1 ) 光固化快速成型技术( s l a ) 光纤维横向排列，在扫描成型时，激光按已设定好的路径进行扫描。扫描过的区域 会发生变化，在树脂薄层产生聚合反应。一个零件的薄层就此生成【l 。新的液态树脂将 铺在原先固化了的树脂表面上，再进行新的一层扫描。一层层累计加工，直至生成加工 零件。被激光照射的部分为固态，而未被照射的仍为液态。所以在实验进行前要充分考 虑到材料支撑，实验结束时，再将其去除。当一层固化完成时，工作台下移。 光固化快速成型技术是比较早快速成型技术，也是最早投入商业的r p 技术，其市 场份额也是最大的，销售的s l a 设备约占全球r p 设备的7 0 。其特点是：一、精度 最高。二、价格昂贵。三、成型过程中零件易发生物理和化学变化，使得其尺寸易发生 蠕变。四、可使用的材料较少。液态树脂是较常见的材料，具有独特气味，其挥发物会 对人体产生伤害，且遇光发生变化，保存时要考虑到这些特性。通常情况下，一次固化 的效果难以达到预期，将进行二次固化i l 引。 ( 2 ) 选择性激光烧结技术( s l s ) s l s 的工作原理是利用材料在激光的照射下烧结成型。s l s 系统是以c 0 2 激光器作 为能源，通过红外线激光束使粉末粘结。计算机控制激光束的运动，扫描仪按设定好的 路径扫描。扫描能量密度和扫描方式应按不同材料，加以区分。粉末在激光的扫描下生 成具有一定厚度的实体，扫描路径以外的部分，仍是松散的粉末状。当一层扫描结束 后，工作台根据铺层厚度而下降一定高度，铺粉辊将送料箱中粉末均匀的铺到工作台 上，再进行下一层烧结。层层加工，直到生成成型零件。然后进行后处理，去除粘附粉 末，保证零件加工精度，再经过磨修，烘干即可。选择性激光烧结的特点有如下几点。 第一，采用的材料广泛，常用的有石蜡，陶瓷，金属，塑料等。第二，制造工艺比较简 单，可直接生成复杂形状的原型。第三，成型件的精度较高。第四，材料利用率较高， 无须支撑。 ( 3 ) 分层制造技术( l o m ) 根据输入到计算机内的几何信息，对材料进行实体切割。箔材单面涂上热熔胶，进 行加热。激光器从计算机的分层模拟中获得数据，优化扫描的轨迹，其零件内外轮廓由 激光束切割获得。新的一层材料铺在已加工好层面上，平面模型逐层堆叠，并在滚轮的 挤压下逐步成型。分层物件制造优点明显：第一，精度高，成型件在x ，y 方向进给量 可达到0 1 m m ，在z 方向可达0 2 m m 。第二，制件性能优良，可承受高达2 0 0 温度。 l 绪论 具有较强的学性能，可进行切削加工。第三，原材料价格低，成本低，设备的可靠性能 好。但其缺点也是显而易见的，不能直接制造热塑性工件，工件易于膨胀，切表面有台 阶纹，需要后处理打磨等工艺。 ( 4 ) 熔融沉积成型技术( f d m ) 。 熔融沉积技术是将丝状材料由送丝机构送进喷头，在喷头中达到熔融状态【1 3 , 1 4 】。将 c a d 模型分成一层层薄片，形成喷头的二维运动轨迹，在计算机的控制下，喷头将沿 此轨迹，挤出半流动的熔融材料，形成沉积固化的零件薄层。熔融材料层层粘结沉积， 生成实体零件。其特点是：可使用无毒成型材料作为原料，易于环保。第二，成型速度 快，常用于制造复杂的内腔。第三，材料在成型时，化学变化并不明显，零件翘曲变形 不明显，支撑材料去除也很方便。但其缺点也十分明显，成型件表面有明显的条纹，复 杂零件需要设计支撑结构。 ( 5 ) 其他快速成型技术 另外，还有三维印刷工艺( 3 d p ) ，此工艺成型机理与打印机相似。打印喷头喷出的 是光敏树脂。打印喷头后面放置一个紫外光刀，喷打一面，固化一面，与激光烧结技术 类似，所不同的是成型材料粉末是通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷在材料粉末 上面来实现材料的联接。其主要用途是用于制造铸造用的陶瓷壳体和芯子【”l 。 实体磨削固化工艺又称s g c ，其采用掩模板技术，使一层光固化树脂整体一次成 型，不像s l a 技术那样，每一层树脂是逐点扫面固化而成，大大提高了生产效率。 数码累积造型也是一种重要的快速成型方法。由计算机控制，生成三维造型体【m 】。 得到有序列的空间点阵。依靠其成熟的三维制造技术，按照设计好的路径在相应的位置 放置易成型的固体颗粒，按x ，y ，z ，三维坐标进行实体零件制造。经后处理，便完 成了原型制造。 焊接成型技术是由成熟的焊接技术和焊接设备发展演变而来。采用分层焊接的方 法，制造出全部焊接的零件。 1 2 熔融沉积快速成型技术发展的历史及未来 1 - 2 1 熔融沉积快速成型技术的发展历史 熔融沉积快速成型技术最早由美国科学家于2 0 世纪8 0 年代率先提出，并于9 0 年 代开发出第一台商业熔融快速原型机，成为快速成型发展史上具有历史意义的事件i l ”。 而后，c h a r l e s ，w h u l l 和股东们一起建立了3 d s y s t e m 公司【l 引，此公司在全球i 冲领域 占有较大份额，据称，在一天内售出多套熔融沉积系统。于此同时，熔融沉积快速成型 的应用范围迅速扩大，美国的波音和通用、德国的奥迪和宝马等公司都广泛地应用了该 技术n 9 1 。 熔融沉积快速成型技术在我国起步较晚，始于9 0 年代初期【2 0 l 。最早是由清华大学 开始从事快速成型技术的研究工作，于1 9 9 2 年引进了美国3 d 公司的s l a 2 5 0 设 备，并进行消化与吸收，研制出功能更加强大的改进型快速原型机系统，“m r p m s 东北林业人学硕。f ：学位论文 i i ”型多功能制造系统。此系统具有分层实体制造和熔积成型两种功能【2 1 1 ，这是我国拥 有自主的知识产权的快速原型机，同时也是第一款兼容不同成型方法的快速原型机。 九十年代中期，在我国召开了第一届快速成型学术与技术展示会。在此之后，国家 科委专门召开i 冲研究与应用单位共同探讨推广应用i 心的策吲2 2 1 。北京隆源公司和南 京航空航天大学也以已研制出基于f d m 快速成型系统。上海交通大学开发研制了具有 我国自主知识产权的沉积铸模快速制造系统，为汽车行业生产制造了多种模具【2 3 】。 香港的熔融沉积快速成型技术较内地起步较早，香港科技大学、香港理工大学、香 港城市大学等都拥有r p 设备，但其研究的重点是快速成型技术应用与推广，并不是研 制l i p 设备1 2 4 1 。我国熔融沉积快速成型技术虽以取得了较大成就，但与发达国家相比， 研究队伍相对薄弱，资金投入有限，应用范围较窄，缺少协调而统一的管理，因此差距 不小。 1 2 2 熔融沉积快速成型技术未来发展方向 熔融沉积快速成型技已不是单一的一门技术，它与其它学科技术的联系越来愈紧 密，正朝着专业化，产业化的方向发展，但同时也面临着很多问题。 首先是成型材料的问题。目前的型材料主要是非金属。其强度，力学性能较差，成 型件不能满足功能要求，进而需要再处理或二次开发，在工业领域的拓展难度较大。而 且材料都是设备制造厂商单独提供，没有一个标准的行业技术规则，所以不同厂商之间 的材料通用性很差，这也在很大程度上限制了熔融快速成型工艺的发展。目前，工业领 域应用新型材料成为快速成型的热点。由于新工艺，新技术对各种新材料的要求更加苛 刻，一般单一的材料满足不了性能要求，因此需要研制新材料，特别是复合材料，也是 快速成型研究的一个新方向。开发的新材料通常是由两种以上的复合材料组成，其力学 性能往往强于单一的材料。应用熔融快速成型技术，人们能够方便的对这些新材料制件 进行力学分析，检验其性能【2 5 l 。 第二，开发新工艺。直接成型技术是快速成型的发展重要方向【26 。斯坦福大学将数 控加工与逐层累加法相融合，零件精度大大提高。未来的发展方向可将“沉积、“切 削”融为一体，实现快速成型与传统机床和其他传统的加工方式零距离对接，此法能制 造出更高脾i z e 厶匕i ：j v 的零件1 2 7 j 。 第三，高性能软件的开发【2 引。r p 的数据处理主要是将三维c a d 模型转变成s t l 文件格式，进行分层加工处理。s t l 文件是用三角形逼近，来近似替代三维模型的。这 种方法存在很多不足，如三角形轮廓之间会出现一些空隙，由于空隙的出现会导致分层 切片轮廓不连接；又如s t l 文件过大，会导致无法全部读入，不能进行切片等等。分 层切片处理也有明显的不足，成型件表面明有显的台阶效应，使零件的品质和精度大打 折扣。针对上述弊端，现已开发出s o l i d v i e w 、m a g i c v i e w 、s t l v i e w 等软件，这些软件 有适应性，可减少阶梯效应，提高工作速度。另一种解决措施是利用几何造型的原始 c a d 模型，或s t e p 文件进行几何分析，用优化设计的方法自动设置参数，从而避免 1 绪论 s t l 文件的弊端。 第四，对降低f d m 快速成型的使用成本的研究。快速成型的工件成本难以降低， 成为制约快速成型技术大规模发展制约因素。这就要求我们将熔融快速成型技术发展致 力于新能源、新材料的开发。 1 3 熔融沉积快速成型技术的特点及应用 传统的制造技术在原材料或毛坯制造成为零件过程中，质量m 的变化小于零。其 本质是通过刀具和坯料之间的相对运动，产生相互力的作用，切除多余的材料，进而生 成零件。而熔融快速成型的思路与之不同，是通过材料累加法制造，成型件是叠加出来 的，其特点主要有【2 9 】： 第一，快速性，克服了传统制造环节多，工艺繁锁，生产周期长，费用多的劣势。 与传统的加工方法相比，生产周期缩短了七成以上，几乎能成为所有c a d 造型系统的 接口。从建立三维图形到制造出成型零件，常常只需一天或几天的时间，这样的优势是 其他传统制造技术望尘莫及的。 第二，高柔度性，采用非接触的加工方式。熔融快速成型系统是真正意义上的数字 化制造系统，无需任何卡具。系统不作任何改变和调整即可完成不同类型的零件的加工 制作，即生产出具有较高的精度和较强的强度、达到特定功能的零件。若要修改零件， 只需修改三维模型即可。 第三，集成化程度高，快速成型技术需要很多相关学科提供支持，集c a d c a m 、 材料科学、机械制造于一体的先进制造技术，巧妙地避开了数控加工的程序编辑。整个 生产过程自动化、数字化程度较高，随时制造，实现了设计制造的即时性。 快速制模( i ) 技术是熔融快速成型技术的重要应用方向之一【3 0 】，具体又分为直接技 术建模和间接建模技术两种。间接建模技术主要有两大类，第一种是通过快速成型方法 建模，再通过化学或物理等方法生产最终的零件；第二种是通过快速成型技术生产铸 型，再通过传统的铸造方法用这些摸型生产模具。采用快速制模技术大幅度的缩短了模 具制造的周期，提高了生产效率，对模具生产具有重大的意义。 新产品的开发过程包括设计验证与功能验证。计算机技术虽然可使设计更加快捷方 便，但只能借助图纸进行模拟和评判，设计人员无法直观的判断设计效果和合理性，且 生产工艺的可行性也无法得到验证。如运用熔融沉积快速成型技术可以将设计模型快速 的转化为具有一定功能的实体模型，验证设计思想和结构的合理性、可装配性。发现设 计中的问题，进行反复修改，直至完善产品设计。 熔融快速成型在制造业的应用十分广泛，主要用于家电，通讯工具外形及室内设 计，及特殊的零件制造。 1 4 课题的来源及选题的意义 本研究采用木粉与p e 粉末混合，作为熔融沉积快速成型的材料。它显著的优点就 东北林业大学硕士学位论文 是可利用秸秆、木屑等代替木材作为原材料，变废为宝。木塑材料可以分解，不会造成 “白色污染 ，是一种真正的绿色环保材料。基于木塑的快速成型较其它材料成本低， 成型件性能与木材相似，采用适当的工艺，生成零件会具有一定的力学性能。得到了黑 龙江省省攻关项目，“基于木粉的快速原型制造工艺及关键技术研究”( 编号： g c 0 7 a 5 1 0 ) 的资助，同时也得到了黑龙江省博士后科研启动金( l b h q 0 5 0 0 6 ) 的资 助。 快速成型常用的材料种类很广。常用的光敏树脂、尼龙材料、塑料、金属粉末等材 料价格昂贵，因此在某种程度上制约了快速成型的发展与普及，所以研制新型廉价的快 速成型的材料显得尤为必要。木粉作为成型材料取材方便，价格便宜，无污染，且制备 简单，在一定程度上缓解了快速成型成本居高不下的困境，所以选用木粉为快速成型的 材料之一。木粉的加工技术已相当成熟，为原材料的供应奠定了有力的基础。黑龙江是 我国的林业大省，木材资源十分丰富，同时木材的二次利用也引起了足够的重视。利用 木材及边角废料制造出高性能、高附加值的成型产品，对提高森工产业经济效益具有重 大的积极意义。 1 5 本文研究主要内容 ( 1 ) 本文介绍了几种典型的快速成型技术，并对其国内外发展现状，将来的发展 趋势及应用进行了概述。 ( 2 ) 设计了喷头温度控制系统，以保证实验温度稳定。对熔融态材料在三维工作 台的冷却过程进行模拟，确保材料在成型时，上一层零件不会坍塌。 ( 3 ) 设计了木塑f d m 的成型实验装置，对实验的关键部件喷头、送丝机构进行了 设计，并利用a n a s y 软件对其进行受力分析，验证设计的可靠性。 ( 4 ) 介绍了实验的材料制备，记录了实验过程，并且对成型件强度进行了分析。 从实验的角度说明了基于木塑的熔融快速成型是可行的。 2 基于木塑熔融沉积快速成型t 艺研究 2 基于木塑熔融沉积快速成型工艺研究 2 1 木塑熔融沉积快速成型原理 f d m 是很有发展前途的一种快速成型技术，这种工艺在：；u - r 过程中不需用激光器 件【3 ，因此具有使用维护简单，成本较低，体积小，无污染等特点，很适合用于办公系 统。f d m 技术可直接地、精确地将设计三维图形转化为具有一定实际意义的原型或零 件，加快了产品上市的步伐，减少了企业承担的风险性。但f d m 快速成型系统还有待 改善，国外已经商品化的f d m 技术系统对于国内市场来说，价格一直处于高位。因此 要进一步加快快速成型技术的应用，推广，降低设备使用费用与生产成本 3 2 , 3 3 】。为了降 低快速成型的运用门槛，依托东北林业大学在木材领域优势，提出了基于木塑的f d m 技术制造系统，此研究为快速成型提供了一种新材料。 熔融沉积快速成型技术发展迅速，其成型机也是多种多样的。虽然加工工艺和使用 成型材料各异，但其主要成型思路都是将三维实体转化为二维图形，最后在逐层累加， 生成零件。基于木塑的f d m 技术也是在“分层”、“累加”的思想下【3 4 】，设计出一种快 速成型的新材料，新实验装置。木塑材料环保，价格低廉、通用性强。 熔融沉积制造工艺是应用加热装置将材料加热成熔融态【3 5 1 。本实验将喷头安置在单 螺杆挤出机上，成型材料在挤出机的加热腔内达到了熔融态，喷头上自制了一个加热 器，保证喷头温度与成型材料温度一致，防止熔融材料在成型时受热不均。依靠喷头的 挤压速度来控制材料的流量，使粘稠液体均匀的沉积在工作台上。工作台在计算机的控 制下，根据扫描运动，熔融态的材料由喷嘴挤出，材料在工作台上逐层叠加，最后生成 整个成型零件。 在成型过程中要注意挤出速度与填充速度的匹配。挤出速度是指喷头内熔融态材料 从喷头挤出的流速，填充速度是指扫描截面轮廓的速度。为了保证成型零件顺利生成， 需要将材料的挤出速度和填充速度匹配到最优值，即材料从喷嘴中挤出的体积等于零件 粘结时的体积，在成型件精度要求较高时，还要考虑材料的收缩率。本实验采用木塑为 成型材料，由于木粉颗粒较大，故不考虑成型件的收缩性。在填充时，若填充速度比挤 出速度快，材料在成型时会填充不足，易出现断丝现象，即使材料成型，也难以达到预 期的各种力学要求。如果填充速度慢于挤出速度时，相比i i i 言，出丝过快，熔丝堆积在 喷头上，喷出的成型材料薄厚不均，表面凹凸不平，影响生成件的品质。不难看出，填 充速度与挤出速度的匹配十分关键，两者应在一定合理范围内1 3 6 1 。 2 2 木塑熔融沉积实验喷头温度控制 f d m 的关键问题之一是如何控制成型材料的实验温度。要保证熔融材料刚好在凝 固点之上，通常控制在材料凝固点1 以上【了刀。 东北林业人学硕f ：学位论文 在使用木粉与p e 混合熔融沉积成型时，将材料在加热至2 0 0 。在2 0 0 之前，其 流动性随着温度的升高而升高，流动的塑料将混合料的空隙填满，将木粉包裹紧密。木 粉包裹的是否完整，与流动性的好坏有着紧密的联系。但是温度达到2 0 0 之后，熔融 材料的流动性越来越高，模具间的连接存在空隙，塑料有外溢的现象致使整个材料缺少 塑料的包裹，且成型温度达到2 0 0 以上时，木粉发生碳化，失去其应有的性能，成型 效果反而变差。因此，加热时温度要保持在2 0 0 左右，对实验的顺利进行十分重要。 喷头的温度在一定程度上决定了材料的粘结性能、沉积性能、丝材流动性等。喷头 温度过低，材料粘度加大，出丝速度变慢，这显然加重了挤压成型系统的负担，极端情 况下还会造成喷嘴堵塞，且材料层问粘结强度降低，还会引起层问剥离。若喷头温度过 高，材料偏向于液态，粘性系数较小，流动性强，挤出材料过快，成型时不易控制，成 型时会出现前一层材料还未冷却成型，后一层就沉积其上，从而使得前一层材料受到坍 塌与破坏。本实验使采用单片机模块进行温度控制。 ( 1 ) 硬件组成：5 l 单片机、直接型a d 转换器、l e d 显示器、集成的热电偶温度 变送器、固态继电器、大功率发热器。单片机性能卓越，早已广泛应用于工业自动化， 智能仪器仪表，通讯，武器装备，消费电子产品等方面，其特点越来越得到大家的认 可。首先是成本低廉，产品化易于实现。能组装成各种智能测试，控制。另外，可靠性 较高，可控制的温度范围广，扩展容易，能够构成各种规模的系统应用。a ，d 转换器其 实质是将模拟量转换为计算机能够处理的数字量。其主要分类有两种：直接型a d 转 换器和间接型a d 转换器。在直接型中，输入的模拟信号直接就能转化为数字形式， 不需要其他变量替代。而间接a d 转换器恰恰相反，输入的模拟变量转化为其他中间 变量，如时间，脉冲等，进而处理中间变量，将其转化为所需要的数字代码输出。其主 要技术指标有：转换时间与转换速率，分辨率，与转换精度等。本实验无需采用中间变 量替代，选用直接型a d 转换器即可。 图2 1 系统原理框图 ( 2 ) 温度控制原理：热电偶温度变送器实时监测加热源的温度，测量到得数值经 2 基于小塑熔融沉积快速成型工艺研究 过d a 转化，经5 1 单片机的控制，将温度数字显示在l e d 上，并与用户通过按键输入 的温度上限值进行比较，如果温度超出所设上限，由5 l 单片机控制发出警报，继电器 将自动切断加热源停止继续加热。系统工作原理框如图2 1 所示。 其主要程序如下： 主程序 o r g0 0 h l j m ps t a r t ：程序开始 o r g0 3 h r e t i ：软件抗干扰 o r g0 b h ： l j m pi n t t 0 ：定时器0 的中断服务程序 o r g1 3 h ： r e t i ：软件抗干扰 o i m1 b h ： l j m pi n t t l ：定时器l 的中断服务程序 o r g2 3 h ： i 也t i ：软件抗干扰 ； 率枣木木幸幸幸幸+ 木，| 枣木枣木幸木奉幸毒奉幸幸+ 拳牛+ s r a e q ua 1 h ：1 2 c 读地址 s u b d a ae q u0 2 h ：1 2 c 的二级地址码 t i m e h e a te q u4 0 h ：加热时间的存储地址 t i u n h e a te q u4 1 h ：不加热的时间存储地址 t r a ne q u4 2 h ：模糊量化结果的存储地址 d i s p f l a ge q u4 3 h ：显示标志，用于识别设定、上、 下限温度的显示 2 3 木塑材料冷却过程模拟 熔融态木塑材料从喷嘴中流出，在压力与重力的作用下，沉积在工作台表面。材料 在常温下自然冷却，属于对流换热过程。木塑材料在工作台的冷却速度对成型零件的质 量有重要的影响。若材料冷却速度慢，仍以熔融态存在时，易发生坍塌。因此丝材的冷 却速度也是实验的关键因素。本文采用f l u e n t 商用模拟软件对木塑丝冷却过程进行模 拟，以确定丝材的冷却速度，保证零件成型。在模拟木塑材料流动方面采用标准的k - e 湍流模型，开启能量方程模拟传热计算。 2 3 1 模型的解析区域及网格划分 数值计算的解析区域为木塑材料，根据设计要求，喷头的直径为2 m m ( 即木塑材 料的直径) 。本文采用三维数值模拟，计算坐标为直角坐标系。 东北林业人学硕。l ：学位论文 计算网络的生成是数值模拟技术的一个重要组成部分，网格品质的好坏直接影响数 值解的计算精度及收敛性。网格数过少，会使计算精度下降，甚至发散；网格数量过 多，虽然能提高计算精度，但使计算成本大大增加。当计算对象结构简单时，可适当减 少网格数，但计算问题较复杂时，需要较多的网格节点来提高计算精度。网格划分的均 匀度对收敛速率也有很大影响。最大和最小的网格间距之比越大，收敛越困难。若增加 网格节点数，使差分网格更均匀，可提高收敛速度，甚至会减小总计算时间。 由于本模拟计算域为圆柱，所以采用结构性的四面体网格，基础模型结构网格划分 见图2 2 。在此模型下，整个计算区域的网格划分的节点数为1 0 7 6 6 个。 图2 2 局部网格放大图 2 3 2 木塑材料参数条件的确定 比照可流动的熔融木材和p e 的特性，确定木塑的参数。如表2 1 所示，设置界面 如图2 - 3 所示。 表2 1 木塑材料参数 根据实验的实际情况，对木塑冷却模型边界条件的具体设定为： ( 1 ) 入口条件：其属性设定为恒定速度入口面( v e l o c i t y i n l e t ) ， 况，速度值设为o 0 2 m s 。 ( 2 ) 出口边界：其属性设定为设为自山出rj 面( o u t f l o w ) 。 ( 3 ) 固壁边界：壁面采用无滑移边界( w a l l ) ，壁面材料为木塑， 热，换热系数为0 0 5 w ( m 2 k ) ，自然流温度为2 9 7 k ( 2 0 。c ) 。 根据实验的实际情 热力条件为对流换 2 苯于木塑熔融沉积快速成型丁艺研究 图2 - 3 木塑参数设置界面 2 3 3 计算结果 实验材料温度场如图2 4 ，温度随时间变化如图2 5 所示，当丝材沉积在工作台5 秒中，温度就可降到6 0 以下，此时木塑材料具有一定的力学性能，能够保证在成型 时，不会发生坍塌现象。 蛙 图2 4 温度场图 互 篓 2 1 8 0 6 0 1 0 1 2 0 1 8 0 6 0 1 0 l i l i - l l l i i - 0005101s 20 25 30 354o 55o5 5 时间( s ) 图2 5 濡度随时间变化图 2 4 本章小结 小塑是一种环保且可再利用的材料，易降解，各种性能与水材相似，生成零件具 有一定的力学性能，因此选心其为实验材料。而熔融沉积的快速成型相对于其他成型方 法的生产成本低，所以本文基于此卜两，r ? j 确定了实验思路。喷火的温度是实验关键，用 a d 模块控制来进 r 温度调何。另外，实验的三维17 作台运动i 喷火出丝速度是否匹 配，也是成型实验的一个关键因素。最后，根据木材特性，利刚f l u e n t 软件对木塑材料 冷却过程进行模拟，确保零件能够顺利生成。 东北林业人学硕_ j 二学位论文 3 木塑实验装置设计 3 1 木塑实验装置基本组成 # 可一 1 支架2 s i 降机3 i 亨上作台4 力热装置5 喷头6 送丝机构7 导向管8 挤出机 图3 1 快速成型机总装图 如图3 1 ，是术塑实验装置基本组成，材料由挤山机送料【_ l 进入，熔融态的木塑材 料从喷头挤出，在三维工作台上生成零件。 快速成型装置是快速成型系统的核心部分。本实验是研究基于小塑快速成型工艺， 没有采用传统的成型材料，因此也注定了实验装备要有所彳i 同。首先并没有采用传统的 喷头运动，而是令工作台在计算机控制的情况下进行三维运动，将喷头固定。喷丝速度 与三维工作台的运动相匹配，形成成型件。这是因为传统的熔融沉积材料可以直接以丝 状形式存在的，在供料辊上缠绕。而本实验则不同，无供料辊，且木塑材料需要自己制 备，为了简化了喷头的设计，将喷头固定，取消其横向纵向运动功能。三维工作台置于 喷头之下。工作时，在计算机的控制下，工作台按成型零件的扫描路径运动，熔融材料 由喷嘴而出，累积在工作台上。当一层完成之后，工作台下降，接着进行下一层沉积 3 _ 术塑实验装置设计 【3 引。如次反复累计直到整个零件生成完毕。另外采用木塑材料熔融沉积的方法成型件强 度更容易保证，且无须其它材料支撑，因此设计单喷头即满足实验要求。 由于本实验是基于木塑的熔融沉积实验，其材料的流动性要明显低于传统的成型材 料，丝料由喷头的挤出速度并不快，因此与之匹配的三维工作台运动速度要求不是很 高，在设计时应予考虑。其最大工作进给速度：2 5 m m i n ，快速进给为速度：5 m