成型技术的总结.doc

现代成形技术第一章 快速成形技术11成形方式分类 快速成形技术是基于离散堆积成形原理的成形方法。在研究离散堆积成形原理前，有必要回顾一下成形原理和方法，根据现代成形学的观点，从物质的组织方式上，可把成形方式分为以下四类：(1)去除成形：去除成形是运用分离的方法，把一部分材料(裕量材料)有序地从基体上分离出去而成形的方法。传统的车、铣、刨、磨等加工方法均属于于去除成形，现代的电火花加工、激光切割、打孔等也是去除成形。去除成形最先实现了数字化控制，是目前主要的成形方式o (2)堆积成形；堆积成形是运用合并与连接的方法，把材料(气、液、固相)有序地合并堆积起来的成形方法。RP即属于堆积成形。堆积成形是在计算机控制下完成的，其最大特点是不受成形零件复杂程度的限制。从广义讲，焊接也属堆积成形范畴。 (3)受迫成形：受迫成形是利用材料的可成形性(如塑性等)在特定外围约束(边界约束或外力约束)下成形的方法。传统的锻压、铸造和粉末冶金等均属于受迫成形。目前受迫成形还未完全实现计算机控制，多用于毛坯成形、特种材料成形等。 (4)生长成形：生长成形是利用材料的活性进行成形的方法，自然界中生物个体发育均同于生长成形，“克隆”技术是产生在人为系统中的生长成形方式。随着活性材料、仿生学、生物化学、生命科学的发展，这种成形方式将会得到很大发展。12快速成形原理与过程快速成形技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技术。其核心是由CAD模型直接驱动，其基本过程如图1.1所示：首先由是由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型，即数字模型或称电子模型；然后根据工艺要求，按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层或切片），把三维电子模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适的加工参数自动生成数控代码；最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。这种将一个物理实体复杂的三维加工离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关。13快速成形的主要工艺方法 131 立体印刷(SLA) 此工艺方法也称液态光敏树脂选择性固化。这是一种最早出现的RPT，它的原理如13所示。液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下快速固化。成形开始时，可升降工作台使其处于液面下一个层厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层。然后工作台下降一层的高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个产品完成。 这种方法适合成形小件，能直接得到塑料产品，表面粗糙度质量较好，并且由于装外激光波长短(例如Hecd激光器，=325nm)，可以得到很小的聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。缺点是： (1)需要设计支撑结构，才能确保在成形过程中制件的每一个结构部分都能可靠定位； (2)成形中有物相变化，翘曲变形较大，也可以通过支撑结构加以改善；(3)原材料有污染，且使皮肤过敏。132 分层实体制造(LOM) 也称薄形材料选择性切割。它根据三维模型每一个截面的轮廓线在计算机的控制下，用CO2激光束对薄形材料(如底面涂胶的纸)进行切割，逐步得到各层截面，并枯结在一起，形成三维产品，如图14所示。 扫描器件有的采用直线单元，适合于大件的加工(如图l4所示)，也可采用振镜扫描方式，如图l3中序号2。 这种方法适合成形大、中型零件翘曲变形小，成形时间较短，但尺寸精度不高，材料浪费大，且清除废料困难。133 选择性激光烧结(SLS) 粉末材料选择性激光烧结的原理如图15所示。使用CO2激光器侥结粉末材料，(如蜡粉、PS粉、ABS粉、尼龙粉、覆腹陶瓷和金属粉等)。成形时先在工作台上铺上层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。 这种方法适合成形中、小型零件，能直接制造蜡模或塑料、陶瓷和金属产品。制件的翘曲变形比SLA工艺小，但仍需对容易发生变形的地方设计支撑结构。这种工艺要对实心部分进行填充式扫描烧结，因此成形时间较长。可烧结覆膜陶瓷粉和覆膜金属粉，得到成形件后，将制件置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物(如铜)。它的最大优点在于适用材料很广，几乎所有的粉末都可以使用，所以其应用范围也最广。 134 熔化沉积成形(FDM) 熔化沉积成形也称丝状材料选择性熔覆，其原理如图16所示。三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做xyz运动。丝材(如塑料丝)由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一层厚，再进行后一层的涂覆，如此循环，形成三维产品。 这种方法适合成形小塑料件，制件的翘曲变形小，但需要设计支撑结构。由于是填充式扫描，因此成形时间较长，为了克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成形效率。 135 三维打印(3D-P) 三维打印也称粉末材料选择性粘结，如图17所示。喷头在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结形成截面层。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此循环形成三维产品。粘结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提商粘结强度。 136 固基光敏液相法(SGC) 固基光敏液相法的工艺原理如图18所示，一层的成形过程由五步来完成：添料；掩膜紫外光曝光；清除未固化的多余液体料；向空隙处填充蜡料和磨平。掩膜的制造采用了离子成像技术，因此同一底片可以重复使用。由于过程复杂，SGC成形机是所有成形机中最庞大的一种。 SGC工艺每层的曝光时间和原料量是恒定的，因此应尽量徘满零件。由于多余的原料不能重复使用，若一次只加工一个零件会很浪费。由于蜡的添加，可省去设计支撑结构。远层曝光比远点曝光要快得多，但由于多步骤的影响，在加工速度上提高不很明显，只有在加工大零件时才体现出优越性。137热塑性材料选择性喷洒 为了降低快速成形系统的成本，提高成形速度，使之能成为一种如同打印机的办公设备可以方便地用于早期初步设计的校验，近年来出现了一些热塑性材料选择性喷洒式快速成形系统。 图19是一种称为喷里式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统(Inkjet)的原理图。它采用2个喷嘴，其中一个用于喷洒成形用热塑性材料，另一个用于喷洒支撑成形件的蜡。这两个喷嘴能根据截面轮廓的信息，在计算机的控制下做xy平面运动，选择性地分别喷洒熔化的热塑性材料和蜡，此两种材料在工作台基底上迅速冷却后形成固态截面层和支撑结构。随后，用一刀具铣乎它们的上表面，使其控制在预定的截面高度，每层截面成形之后，工作台下降一截面层的高度，再进行后一层的喷洒，如此循环，最终形成三维产品。14快速成形技术常用的文件格式1) 快速成形技术常用的文件格式有STL、IGES、HPGL 和STEP 四种。(1)STL(STereo Lithography interface specification)格式。STL 格式最初用于美国3 D Systems 公司生产的SLA 快速成形系统，它是目前快速成形系统中最常见的一种文件格式，它将曲面的三维CAD 模型近似成小三角形平面的组合， STL文件格式有ASCII 码和二进制码两种输出形式，二进制码输出形式所占用的文件空间比ASCII 码输出形式的小得多，一般是16。但是，ASCII 码输出形式可以阅读，并能进行直观检查。(2)IGES(International Graphics Exchange Standard)格式。IGES是大多数CAD系统采用的一种国际图形转换标准，用于支持不同文件格式间的转化。但是，由于不同的CAD 供应商对IGES 标准有自己不同的解释，从而使不同系统生成的IGES 文件可能有所差异。(3)HPGL(HP Graphics Language)格式。HPGL 是惠普公司开发的一种用来控制自动绘图机的语言格式，它已被广泛地接受，这种表达格式的基本构成是描述图形的矢量，用X 和Y 坐标来表示矢量的起点与终点，以及绘图笔相应的抬起和放下。某些与绘图原理有关的快速成形系统(如三维打印)采用HPGL 来驱动它们的喷头。图6-2 共顶点规则的示例a)表达正确 b)表达错误(4)STEP(Standard for The Exchange of Product)格式。STEP是国际标准组织提出的产品数据交换标准。目前，典型的CAD 系统都能输出STEP 格式文件，有些快速成形技术的研究工作者正在研究借助STEP格式不经STL 格式的转化，直接对三维：体模型进行分层切片处理，以便提高快速成形的精度。2) STL文件格式的基本规则STL 文件格式的基本规则如下：(1)共顶点规则。每一个小三角形平面必须与每个相邻的小三角形平面共用两个顶点，也就是说，一个小三角形平面的顶点不能落在相邻的任何一个三角形平面的边上。例如，6-2a 的4个三角形共顶点C，表达正确：图6-2b 所示2 个三角形DCE和CBE 共顶点C，但此顶点C却落在三角形ABD的边BD 上，表达错误。(2)取向规则。对于每一个小三角形平面，以顶点排序表示边的矢量，3 个顶点连成的表面法线矢量方向按右手法则确定。图6-3a的三角形法线矢量方向朝外，是表达外表面；反之就是表达内表面。对于相邻的小三角形平面，不能出现取向矛盾，如图6-3b表达正确：而图6-3C 则表达错误(法线矢量取向矛盾)。(3)取值规则。每个小三角形平面的顶点坐标值必须是正数，零和负数是错误的。图6-3 取向规则的示例a)矢量方向 b)表达正确 c)表达错误(4)合法实体规则。在一维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏(即不能有裂缝或孔洞)，不能有厚度为零的区域，外表面不能从其本身穿过。15快速成形中工件的成形方向选择将STL格式文件所表达的三维模型加以旋转，然后再切片，可获得不同的成形方向。成形方向对工件的品质(尺寸精度、表面粗糙度、强度等)、材料消耗(成本)和制作时间都有很大的影响。1）对工件品质的影响一般而言，无论哪种快速成形方法，都不容易控制Z 方向(垂直方向)的翘曲变形。因此，工件在X-Y 方向的尺寸精度比z 方向更容易得到保证，应该将精度要求较高的轮廓(如有较高配合精度要求的圆柱体、圆孔)，尽可能放置在X-Y平面内。具体地说，对于SLA 成形工艺，影响精度的主要因素是叠层的台阶效应带来的表面、Z 向的尺寸超差和支撑结构的合理与否。对于SLS 成形工艺，除叠层的台阶效应外，由于没有支撑结构，具有大面积的底层部分容易卷曲，以致整个原型件歪扭应尽可能避免大截面的基底。对于LOM 成形工艺，影响精度的主要因素是叠层的台阶效应和剥离废料造成的问题。就强度而论，无论哪一种快速成形，都是基于一层层材料叠加的原理，层与层之间的结合强度总是低于材料本身的强度，所以原型件的横向强度一般高于纵向强度。2）对材料成本的影响原型件的不同成形方向会导致不同的材料消耗量。材料的消耗总量还取决于原材料是否可回收和再用。对于需要支撑结构的快速成形，如SLA，材料的消耗量应该包括制作支撑所需要的材料，支撑结构的设计合理与否对材料消耗有较大的影响。对于SLS 成形工艺，由于原型件的体积是恒定的，成形过程中未烧结的材料可以再用，因此材料的消耗量与成形方向几乎无关。对于LOM 成形工艺，由于其废料不能再利用，因此材料的消耗量与成形方向有密切关系，叠层高度最小时，材料最节省。3）对制作时间的影响原型件的成形时间包括前处理时间、后处理时间和叠层成形时间3 个部分。前处理的主要内容是成形数据的准备过程，所花费的时间基本与成形方向无关。后处理时间取决于原型件的复杂程度和成形方法及其支撑结构的剥离，对于无需支撑结构的成形工艺(SLS、LOM、3DP)，可以认为与成形方向基本无关。对于需要支撑结构的成形工艺，不同成形方向将导致支撑结构体积大小的变化，因此会影响成形时间。不论哪一种成形工艺，叠层成形时间都将随成形方向而改变。16数据检验与处理软件数据检验与处理软件是快速成形软件系统中非常重要的一部分。它是CAD文件与具体成型机之间的接口。该软件的功能与水平直接关系到原型的制造精度、成型机的功能、用户的操作等等。数据检验与处理功能包括：1、STL文件的读入和处理。2、层片文件生成。对STL文件进行分层处理，生成截面轮廓数据，并对分层数据进行优化，得到层片文件。3、填充及网格划分。采用合适的填充算法及方式，对截面轮廓进行填充及网格划分，生成轮廓偏置和网格填充文件。4、数控代码生成。对层片文件及填充文件进行处理，配以加工参数，生成控制机床运动的数控代码。5、对数控代码进行模拟加工。在计算机上模拟显示出加工工具（如FDM 工艺中的喷头）的运动轨迹，以检验数据处理结果的正确性。6、手动调试。手动调试功能对成型机各执行部件进行运行调试，保证成型的顺利进行。手动调试包括X、Y、Z轴调试，FDM工艺中的成形室温度控制、喷头温度控制及送丝调试等，LOM工艺中的热压温度控制等。7、实时显示机床运行情况，包括基本参数、层面形状和运行轨迹形状等。8、辅助功能。包括加工参数设定、运动系统模块调用等。9、其他可选功能包括：零件三维模型显示；分层信息模拟显示；支撑结构添加及其模拟显示；加工过程仿真与成形质量预期等等。17快速成形机快速成形的基本原理是叠层制造，快速成形机在XY 平面内通过扫描形成原型件的截面轮廓形状，而在Z 坐标作间断的层厚位移，最终形成三维的原型件。因此，快速成形机主要包括扫描路径及成形运动机构、能源部件(激光器、喷头或加热头)、材料供应机构和控制系统4 大部分。路径指的是原型件成形一个轮廓截面时的运动路径。一种称为栅格路径，即由一系列连续的或间断的直线形成一个轮廓截面，犹如电视的行扫描图像输出原理：另一种是先沿截面轮廓线进行矢量运动来成形截面外轮廓线，外轮廓线以内则可以用用矢量路径或栅格路径填充。平板绘图仪就采用这种矢量路径。两种路径的差别主要在于成形的精度和速度。栅格路径仅沿一个坐标运动，所以速度快，但其轮廓线是由三角形近似得到的，因此有离散误差。矢量路径避免了这种误差，但需进行二维插补，扫描速度较慢，但轮廓精度较高。成形运动机构指的是得到制件三维几何实体的运动执行机构。常用的运动执行机构有两种，第一种是X、Y、Z 三个坐标轴的运动均由机械传动实现；另一种由电流偏转镜的转动形成原型件的二维轮廓截面，再由机械传动的垂直位移使轮廓截面相互叠加。根据快速成形机的运动机构和成形路径的特征，可将目前典型的快速成形机分为4类，列于表6-2。第二章 快速模县制造技术 应用快速成型方法快速制作模具的技术称为快速模具制造技术，而基于RP技术的快速模具制造由于技术集成程度高，从CAD数据到物理实体转换过程快，因而同传统的数控加工方法相比，加工一件模具的制作周期仅为前者的13-110，生产成本也仅为1/315。所以国外发达工业国家已将RT技术作为缩短模具制作周期和产品开发时间的重要研究课题和制造业核心技术之一。 快速模具制造技术可分为直接制模和间接制模，主要用于制造注塑模和铸模等。把熔模铸造、喷涂法、陶瓷模法、研磨法、电铸法等转换技术与快速原型制造结合起来，就可以方便、快捷地制造出各种简易模具和永久性金属模具。 例如，对于塑料零件的生产，针对不同的批量，有三种典型的工艺路线： (1)单件、小批量产品制造，可以利用快速成型结合真空注塑技术，直接制造树脂棋具； (2)中等批量的注塑零件的生产，可以利用金属成型材科(粉材或片材)直接制成金属模具；也可利用快速制造的零件原型，通过喷涂技术制造金屑冷喷摸具； (3)对于万件以上的大批量零件的模具生产，要先利用快速成型技术制造石墨电极再通过电火花加工钢模，制作永久性生产用模具。 快速模具制造技术的分类 目前的快速模具制造(RT)技术主要集中在两个大的研究方向：第一是直接快速制模(DRT)，即用SLS、FDM、LOM等快速成型工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具；第二是间接快速制模(IRT)，即用快速成型件作母模或过渡模具，再通过传统的模具制造方法来制造模具。21直接快速制模1 分层实体制造(LOMLaminated objet Manuacturing)制模将背面涂有热溶性粘合剂的箔材，根据分层几何信息，用二氧化碳激光在计算机控制下切出本层轮廓，再铺上一层箔材，用滚子碾压使新铺上的一层牢固粘结在已成型体上，再切割该层轮廓，如此逐层叠加，裁切后形成所需的立体模腔。采用这种方法直接制成的模具，坚如硬石，可进行钻削等机械加工，也可进行刮腻子等装饰加工，并可耐20012高温，故可用作低熔点合金的模具或试制注塑模。LOM关键技术是控制激光的光强和切割速度。使它们达到最佳配合，以便保证切口质量。2 立体光刻(SLAStereo Lithgmphy apparatus)制模以各类光敏树脂为成型材料，氦一镉激光为能源，基于光敏树脂受紫外激光照射固化的原理。计算机控制激光逐层扫描，被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液态树脂。如此重复直到三维零件制作完成。3 选择性激光烧结(SLSSlective laser sintering)制模将金属粉末用易消失性树脂裹覆，通过二氧化碳高功率激光束，在CAD分层信息控制下，有选择地熔化粉末上的树脂。使粉末烧结成得到金属粉末的粘结实体，再将树脂在一定温度下分解消失，然后。使成型的金属粉末在高温下烧结而得到金属烧结件，用第二相低熔点金属渗入烧结件而直接成金属模具。美国3D公司将称为Keltol的金属粉末烧结制模工艺，对于直接生产小型金属模具特别适合。德国的Electrolux RP公司开发的利用不同熔点的几种金属粉末来烧结成型，由于各种金属收缩不一致，可相互补偿其体积变化。4 熔融沉积成型(FDMFused deposition modelling)制模材料在喷头中被加热并略高于其熔点。喷头在计算机控制下作XY联动扫描以及z向运动并喷出熔融的材料。快速冷却形成一个加工层犹如极细的丝状物“编织”成一个层面并与上一层牢牢连接在一起，这样层层扫描叠加便可形成模腔。现在用于具有复杂冷却流道的注塑模。麻省理工学院ESachs教授领导的RP实验室将不锈钢粉末用FDM法制成金属型后。经过烧结、渗铜等工艺制成了具有复杂冷却流道的注塑模。22间接快速制模技术(IRT) 该技术所涉及的RP方法包括了L0M、SLS、SLA、FDM等，它有两种制模方法：第一种是通过RP方法成型一个木模或树脂模型，再通过模型用硅橡胶模、电极成型、金屈喷涂等传统模具制造方法生产模具；第二种是通过RP技术生产铸模(蜡模、消失模)和铸型(砂型或壳型)，再结合铸造技术生产金属模具。 常用的间接快速制模技术有以下几种： (1)喷涂法。采用喷枪将金属喷涂到RP原型上形成一个金屑硬壳层，将其分离下来，用填充铝粉的环氧树脂或硅橡胶支撑，即可制成注塑模具的型腔。这一方法省略