快速成形与快速制模试题及详解

一 论述并比较 SLA SLS FDM 和 LOM 快速成形技术各有哪些技术特点和优缺点 SLA 液态树脂光固化成型 光敏树脂选择性固化快速原型技术适合于制作中小形工件 能直接得到塑料产品 主 要用于概念模型的原型制作 或用来做装配检验和工艺规划 它还能代替腊模制作浇铸模 具 以及作为金属喷涂模 环氧树脂模和其他软模的母模 使目前较为成熟的快速原型工 艺 优点 1 需要专门实验室环境 维护费用高昂 2 系统工作相对稳定 3 尺寸精度较高 可确保工件的尺寸精度在 0 1mm 但 国内 SLA 精度在 0 1 0 3mm 之间 并且存在一定的波动性 4 表面质量较好 工件的最上层表面很光滑 侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面 不平 5 系统分辨率较高 缺点 1 需要专用的实验室环境 成型件需要后处理 二次固化 防潮处理等工序 2 随着时间推移 树脂会吸收空气中的水分 导致软薄部分的弯曲和卷翅 3 氦 镉激光管的寿命仅 3000 小时 价格较昂贵 同时需对整个截面进行扫描固化 成 型时间较长 因此制作成本相对较高 4 可选择的材料种类有限 必须是光敏树脂 由这类树脂制成的工件在大多数情况下都 不能进行耐久性和热性能试验 且光敏树脂对环境有污染 使皮肤过敏 5 需要设计工件的支撑结构 以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定 位 支撑结构需在未完全固化时手工去除 容易破坏成型件 SLA 的优势 1 光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺 成熟度高 经过时间的检验 2 由 CAD 数字模型直接制成原型 加工速度快 产品生产周期短 无需切削工具与模具 3 可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具 4 使 CAD 数字模型直观化 降低错误修复的成本 5 为实验提供试样 可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核 6 可联机操作 可远程控制 利于生产的自动化 SLA 的缺憾 1 SLA 系统造价高昂 使用和维护成本过高 2 SLA 系统是要对液体进行操作的精密设备 对工作环境要求苛刻 3 成型件多为树脂类 强度 刚度 耐热性有限 不利于长时间保存 4 预处理软件与驱动软件运算量大 与加工效果关联性太高 5 软件系统操作复杂 入门困难 使用的文件格式不为广大设计人员熟悉 6 立体光固化成型技术被单一公司所垄断 SLA 的发展趋势与前景 立体光固化成型法的的发展趋势是高速化 节能环保与微型化 不断提高的加工精度使 之有最先可能在生物 医药 微电子等领域大有作为 SLS 粉末材料选择性烧结 采用二氧化碳激光器对粉末材料 塑料粉 陶瓷与粘结剂的混合粉 金属与粘结剂的 混合粉等 进行选择性烧结 是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺方法 适合于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件 由于它可采用各种不同成分的金 属粉末进行烧结 进行渗铜等后处理 因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性 能 故可用于制作 EDM 电极 直接制造金属模以及进行小批量零件生产 优点 1 与其他工艺相比 能生产较硬的模具 2 可以采用多种原料 包括类工程塑料 蜡 金属 陶瓷等 3 零件的构建时间较短 可达到 1in h 高度 4 无需设计和构造支撑 缺点 1 需要专门实验室环境 维护费用高昂 2 在加工前 要花近 2 小时的时间将粉末加热到熔点以下 当零件构建之后 还要花 5 10 小时冷却 然后才能将零件从粉末缸中取出 3 表面的粗糙度受粉末颗粒大小及激光光斑的限制 4 零件的表面多孔性 为了使表面光滑必须进行渗蜡等后处理 5 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性 加工的成本高 6 该工艺产生有毒气体 污染环境 FDM 丝状材料选择性熔覆 不依靠激光作为成型能源 而将各种丝材加热溶化的成型方法 有多种材料选用 如 ABS 塑料 浇铸用蜡 人造橡胶等 这种工艺干净 易于操作 不产生垃圾 小型系统可用于办公环境 没有产生毒气和化学污染的危险 但仍需对整个 截面进行扫描涂覆 成型时间长 适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试 由于甲基丙烯酸 ABS MABS 材料具有较好的化学稳定性 可采用加码射线消毒 特别 适用于医用 但成型精度相对较低 不适合于制作结构过分复杂的零件 优点 1 制造系统可用于办公环境 没有毒气或化学物质的危险 2 工艺干净 简单 易于材作且不产生垃圾 3 可快速构建瓶状或中空零件 4 原材料以卷轴丝的形式提供 易于搬运和快速更换 5 原材料费用低 一般零件均低于 20 美元 6 可选用多种材料 如可染色的 ABS 和医用 ABS PC PPSF 等 缺点 1 精度相对国外 SLA 工艺较低 最高精度 0 127mm 2 速度较慢 LOM 箔材叠层实体制作 薄片材料叠加工艺 叠层实体制作快速原型工艺适合制作大中型原型件 翘曲变形较小 尺寸精度较高 成型时间较短 激光器使用寿命长 制成件有良好的机械性能 适合于产品设计的概念建 模和功能性测试零件 且由于制成的零件具有木质属性 特别适合于直接制作砂型铸造模 优点 1 由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割 无需扫描整个断面 所以这是一个高 速的快速原型工艺 常用于加工内部结构简单的大型零件 2 无需设计和构建支撑结构 缺点 1 需要专门实验室环境 维护费用高昂 2 可实际应用的原材料种类较少 尽管可选用若干原材料 例如纸 塑料 陶土以及合 成材料 但目前常用的只是纸 其他箔材商在研制开发中 3 纸制零件很容易吸潮 必须立即进行后处理 上漆 4 难以构建精细形状的零件 即仅限于结构简单的零件 5 由于难以 虽然并非不可能 去除里面的废料 该工艺不宜构建内部结构复杂的零件 6 当加工室的温度过高时常有火灾发生 因此 工作过程中需要专职人员职守 二 试比较金属零件激光鼠 电子束 等离子束直接快速成型方法的技术特点 电子束熔炼 高真空下 将高速电子束流的动能转换为热能作为热源来进 行金属熔炼的一种真空熔炼方法 简称 EBM 在高真空条件下 阴极由于高压电场的作用被加热而发射出电子 电子 汇集成束 电子束在加速电压的作用下 以极高的速度向阳极运动 穿过阳极 后 在聚焦线圈和偏转线圈的作用下 准确地轰击到结晶器内的底锭和物料上 使底锭被熔化形成熔池 物料也不断地被熔化滴落到熔池内 从而实现熔炼过 程 这就是电子束熔炼原理 图1是电子束熔炼原理示意图 电子束炉的加速电 压一般使用在三万伏左右 引起的 X 射线损失最大不超过0 5 二次发射电子 的损失会更少 所以电子束的能量几乎是全部由电能转换为动能 再由动能转 换为热能 电子束熔炼的工艺特点是在高真空环境下进行熔炼 熔炼真空度一般在 10 1至10 3Pa 熔炼时熔池的温度及其分布可控 熔池的维持时间可在很大的 范围内调整 熔炼是在水冷铜坩埚 结晶器 内进行的 可以有效地避免金属液 被耐火材料污染 因此可以说 电子束熔炼为一些金属材料 特别是难熔金属 提供了一种不可缺少的精炼手段 电子束熔炼过程存在3种基本的冶金反应 1 除气 电子束熔炼可除去 大多数金属中的氢 且氢的去除很容易 一般在炉料被熔清之前即已基本完成 由于真空度高 熔池温度及处于液态的时间可控 脱氮效果也很高 2 金属杂 质的挥发 在电子束熔炼温度下 凡是比基体金属蒸气压高的金属杂质均会不 同程度地得以挥发去除 3 去除非金属夹杂物 氧化物及氮化物夹杂物在电子 束熔炼温度及真空度下 有可能分解出 O 及 N 被去除 O 还可以通过碳氧反 应而被去掉 此外 锭子自下而上的顺序凝固特点也有利于非金属夹杂物的上 浮 三 激光工程化净成形技术 LENS 是金属零件激光快速成形技术中的典型工艺 试描述 该系统的基本构成与作用 激光工程化净成形技术 Laser Engineered Net Shaping LENS 是一种新的快速成 形技术 它由美国 Sandia 国立实验室首先提出 也有资料将 LENS 译成 激光近形制造技 术 或者 激光近净成形技术 它将选择性激光烧结 SLS 技术和激光熔覆 Laser Cladding 技术相结合 快速获得致密度和强度均较高的金属零件 选择性激光烧结技术的工作原理如下 首先在计算机上通过 CAD 软件生成零件的 CAD 实体模型 并且将该实体模型离散化生成 STL 文件 然后利用切片软件读取 STL 文件 将 零件切成一系列薄层 并生成每一层的扫描轨迹 最后在活塞工作台上逐层铺上金属粉末 用相应的每层扫描轨迹控制激光束对金属粉末进行扫描烧结 形成所需形状的金属零件 通过选择性激光烧结得到的金属零件实际上是密度和强度都很低的多孔金属零件 要 提高这种多孔金属零件的强度 必须采用浸渗树脂 低熔点金属或热等静压等后处理方法 但这些后处理方法既改变了金属零件的性能和精度 又延长了零件加工的时间 从而失去 快速成形技术的特色 激光熔覆技术是材料表面改性技术的一种重要方法 它是利用高能密度激光束将具有 不同成分 性能的合金与基材表面快速熔化 在基材表面形成与基材具有完全不同成分和 性能的合金层的快速凝固过程 激光熔覆可以通过两种方法完成 其一是预先放置松散粉 末涂层 然后用激光重熔 其二是在激光处理时 采用气动喷注法把粉末注入熔池中 激 光熔覆技术的本质是利用高功率激光将金属粉末直接加热至熔化 从而形成材料间的冶金 结合 激光熔覆形成的材料组织致密 性能优良 激光工程化净成形技术将选择性激光烧结技术和激光熔覆技术相结合 既保持了选择 性激光烧结技术成形零件的优点 又克服了其成形零件密度低 性能差的缺点 它最大的 特点是制作的零件密度高 性能好 可作为结构零件使用 该技术的缺点是需使用高功率 激光器 设备造价昂贵 成形时热应力较大 成形精度不高 目前 激光工程化净成形技术可用于制造成形金属注射模 修复模具和大型金属零件 制造大尺寸薄壁形状的整体结构零件 也可用于加工活性金属如钛 镍 钽 钨 铼及其 它特殊金属 2 2 激光工程化净成形系统的组成 激光工程化净成形系统的组成 激光工程化净成形技术是选择性激光烧结技术和激光熔覆技术的结合 因此其工作原 理及系统的组成与选择性激光烧结技术相似 本实验所设计的激光工程化净成形系统共由 四部分组成 计算机 高功率激光器 活塞式铺粉器和 X Y 工作台 1 计算机 在激光工程化净成形系统中 计算机将参与零件成形全部过程 该过程包括两个阶段 成形准备阶段 建立零件的 CAD 实体模型 并将该 CAD 实体模型转换成 STL 文件 对零 件的 STL 文件进行切片处理 生成一系列具有一定厚度的薄层及每一薄层的扫描轨迹 成形加工阶段 对系统中各部件 包括激光器光闸 校正光开关 保护气气阀 铺粉电机 活塞电机以及 X Y 工作台电机等等 进行统一指令下的有序控制 完成金属零件的加工过 程 2 高功率激光器 在选择性激光烧结系统中 金属粉末往往与低熔点添加粘结剂相混合 激光烧结时只 是将粘结剂熔化 熔化的粘结剂将金属粉末粘结在一起形成金属零件坯体 因此激光器的 功率一般较低 而在激光工程化净成形系统中 激光直接熔化金属粉末 实现熔覆作用 因此要求采用高功率激光器 在本实验系统中采用武汉楚天工业激光设备有限公司生产的 JHM 1GX 200B 型 Nd YAG 高功率固体脉冲激光器 激光波长为1 06 m 产生的激光用具 有柔韧传输特性的光纤进行传输 3 活塞式铺粉器 在美国 Sandia 国立实验室中 激光工程化净成形系统采用喷嘴将金属粉末喷射到高功 率激光的焦点处使粉末熔覆 而本实验中采用预先放置松散粉末涂层方法 该送粉方式与 传统选择性激光烧结中活塞式铺粉方式基本相同 活塞式铺粉器的移动式贮粉箱移过活塞 端口时完成铺粉和压实过程 活塞下降实现加工零件的堆积长高 最终得到金属零件实体 4 X Y 工作台 在选择性激光烧结系统中采用振镜摆动方式实现扫描 而在本实验所设计的激光工程 化净成形系统中采用 X Y 工作台来实现平面扫描运动 具体做法是将激光头固定在 X Y 工作台的悬臂上 使激光头随工作台一起做平面运动 实现逐点逐线激光熔覆直至获得一 个熔覆截面 四 三维焊接直接成形金属零件技术有哪些关键技术 如何解决这些技术问题 五 结合工程实例 论述快速成型与快速制模技术相比较于传统的成形技术 如铸造 锻压 机械加工等 具有哪些显著的技术特点和社会 经济价值 选择性激光熔化选择性激光熔化技术的基本原理技术的基本原理 SLM 技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化 经冷却凝固而成型的一 种技术 为了完全熔化金属粉末 要求激光能量密度超过106W Cm2 目前用 SLM 技术的激光器主要有 Nd YAG 激光器 Co2激光器 光纤 Fiber 激光器 这些激光 器产生的激光波长分别为1064nm 10640nm 1090nm 金属粉末对1064nm 等较短 波长激光的吸收率比较高 而对10640nm 等较长波长激光的吸收率较低 因此在成型 金属零件过程中具有较短波长激光器的激光能量利用率高 但是采用较长波长的 Co2激 光器 其激光能量利用率低 在高激光能量密度作用下 金属粉末完全熔