范例快速成型技术在模具制造中的应用分析

1、广州市工贸技师学院模具专业毕业论文论文题目：快速成型技术在模具制造中的应用分析姓 名： 陈嘉文 学 号: 准考证号： 专 业： 模具制造技术 班 级： 06模具制造技术 班 快速成型技术在模具制造中的应用分析广州市工贸技师学院06模具制造技术高级 班 刘德华引言 简要介绍了几种典型激光快速成形技术的基本原理 ,分析了激光快速制造技术的研究和应用现状 ,并给出相应的应用实例;讨论了激光快速制造技术的研究方向 ,指出这种新技术广阔的应用前景。关键词 : 快速成形制造 工程应用 实体零件激光快速成形制造( Rapid Prototyping Manufac2 turing ,RPM)是 80 年代后

2、期发展起来的新技术。它是将计算机产生的 CAD实体模型 ,经分层切片软件处理成一系列薄截面层 ,并根据各截面层形状的二维数据 ,由快速成形机将材料逐层添加堆积 ,最终生成三维实体零件。这种快速成形制造是一种全新的生产方法 ,其原理突破了传统的材料变形成形和去除成形的工艺方法 ,可在没有工装夹具或模具的条件下 ,迅速制造出任意复杂形状的三维实体零件 ,因此被认为是 20 世纪末制造技术领域的一次重大突破 ,并有可能成为 21 世纪的主流制造技术。目前 RPM 技术的快速成形方法有 10 多种 ,各种RP方法均具有自身的特点和适应范围。比较成熟的工艺有: 立体印刷 ( Stereo Lightgr

3、aphy Apparatus ,SLA) ,选择性激光烧结 ( Selective Laser Sintering ,SLS) , 叠层制造 (Laminated Object Manufacturing ,LOM) ,熔融沉积制造 ( Fused Deposition Modelling ,FDM)和三维打印( Three - Dimensional Printing ,3DP)等。1 常用快速成形方法的基本原理1. 1 立体印刷立体印刷(SLA)是美国 3D - Systems公司推出的最早的 RP技术实用化产品 ,如图 1 (a)所示。其工艺过程是:首先由 CAD系统对要制造的零件进行三

4、维实体造型 ,通过专门的计算机切片软件对 CAD 模型进行分割 ,形成若干薄层平面 ,再由 CAM 软件根据各薄层平面的数据生成加工指令 ,控制机床进行扫描 ,生成一片与激光扫描形状相同的固化光敏树脂薄片。一层固化完成后 ,工作台下降一个切片高度 ,重新覆盖一薄层树脂材料 ,光扫描固化新层 ,如此反复形成实体零件。1. 2 选择性激光烧结选择性激光烧结(SLS)其生产过程与立体印刷相似 ,见图 1 (b) 。首先采用铺粉装置均匀铺粉 ,其厚度等于切片高度 ,然后激光根据层面的几何形状有选择地对材料进行扫描 ,使粉末熔化 ,并粘结在下层材料上 ,而未被激光扫描烧结的粉末则作为零件的支撑体。在完成

5、一层烧结后 ,工作台下降一个切片厚度 ,重新铺粉、 烧结 ,重复这样的过程 ,直到烧结出整个零件。1. 3 叠层制造叠层制造(LOM)是根据 CAD 模型各层切片的平面几何信息对箔材进行分层实体切割 ,如图1 (c)所示。首先利用激光控制装置进行 X2Y 切割运动 ,将铺在工作台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓 ,随后工作台下降一个切片高度 ,箔材送进机构又将新的一层箔材铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘结在已成形的箔材上 ,激光再次进行切割运动并切出第二层平面轮廓 ,如此重复直至整个零件制作完成。1. 4 熔融沉积制造熔融沉积制造(FDM)过程如图 1 (d)所示 ,快速成形系统将熔丝送入

6、 X2Y 方向数控喷头 ,在喷头内将熔丝加热到熔点以上喷出 ,自然凝固成形:一层扫描完成后 ,工作台下降一个切片高度扫描下一层 ,直到零件制作完成。1. 5 三维打印三维打印(3DP)的工作原理类似于喷墨打印 ,即利用喷嘴将液态粘接剂喷在预先铺好的粉层特定区域 ,再铺粉并选区喷粘结剂 ,这样逐层进行得到所需的三维几何形状后 ,再采用高温烧结的方法 ,使之固化 ,从而得到所需的零件 ,如图 1 (e)所示。2 激光快速成形制造技术的应用研究现状2. 1 快速原型制造快速原型制造技术是目前先进制造技术中发展最为迅速的一种,在短短 10 年左右的时间已经由最初的原理研究发展到大规模实际生产应用。目前

7、已有 10多种比较成熟的工艺方法用于原型零件的制造。RPM技术可以在数天或数小时内依据设计图纸或CAD模型制造出零件原型 ,设计者可以根据 RP 三维实体原型对设计方案进行评定 ,对产品功能进行验证 ,通过模拟试验进行生产可行性评估 ,根据用户对设计方案的反馈信息用 CAD 软件对设计方案进行修改和再验证。这样可以得到性能和经济性都优良的设计方案 ,节省了设计费用 ,缩短了产品研制周期。这种设计方法在新产品开发中得到较为广泛的应用 ,如某集团技术中心在进行新型摩托车设计中 ,有两个零件(头灯罩和扶手)需要进行试装配试验 ,这两个零件结构非常复杂 ,图 2 为该零件的实物原型照片。采用传统的制造

8、方法费用较高 ,周期较长 ,而采用 RPM 技术则在一周时间内 ,便制造出上述零件的原型件 ,使得试验工作如期进行。2. 2 快速模具制造目前 RPM 的快速制模主要有用 RP 原型间接制模和 RP系统上直接制模两种方式。用 RP 原型间接制模是通过快速制造系统设计、制造出各种复杂的原型件 ,将原型件作为样件用于传统的模具制造工艺。这种间接制模工艺已基本成熟 ,一般可使模具制造成本和周期减少 1/ 2 ,明显提高了生产率。常用的制模工艺有铸造熔模、硅橡胶模和环氧树脂模等。采用 RPM 技术直接制模是将模具CAD的结果由RP系统直接制造成形。这种方法不需要 RP 系统制造样件 ,也不依赖传统的模

9、具制造工艺 ,它是将 CAD系统得到的三维实体 STL 模型进行分层切片 ,得到零件层面的边界 ,根据此边界就可以求得正型烧结线。在零件边界外人为地加上一个方框 ,方框大小由最大层面边界和模具的最小厚度来确定 ,模具的层面实际上是零件层面的 “逆” 层面。通过对方框内的烧结线进行一次求反 ,即 “实” 变 “虚”, “虚” 变 “实”,将 CAD 设计的实型变成空腔 ,其外围变实的烧结线即为零件反型的烧结线。基于上述基本原理 ,我们选择覆膜陶瓷作为基体材料 ,覆膜陶瓷的覆膜材料主要为树脂类热固性塑料 ,为了提高烧结强度 ,需加入适当比例的粘结剂 ,材料为250目环氧树脂粉末。根据 SLS系统中

10、分层切片软件得到零件 CAD模型的各层面信息 ,通过 “虚” “实” 变换求得零件反型的烧结线。在计算机的控制下有选择地烧结粉末材料 ,经过层层叠加得到铸造用的陶瓷型壳、型芯 ,并结合传统的砂型铸造工艺 ,直接用于铸造金属零件 ,成功地烧结出精密铸造用的叶轮型壳 ,进行了金属零件的精密铸造 ,图 3 为叶轮铸件。RPM 技术直接制模虽然取了一些进展 ,并在某些领域中得到了一定范围的应用 ,但由于 RP 成形工艺和成形材料等原因限制 ,直接制模的方法和相关技术还在继续研究之中。2. 3 快速工具制造基于 RPM 技术的工具制造的实现主要有 2 种途径:直接成形法和间接制造法。直接成形法是利用大功

11、率激光器在保护气氛下直接烧结金属粉末生成金属件或工具。由于 RPM 技术直接烧结金属粉末制造零件工艺还不成熟 ,直接成形工具还有一定困难 ,这种方法仍在研究之中。间接制造方法目前是比较成熟的工艺 ,它将金属粉末和某种粘结剂按一定比例混合均匀 ,用激光束对混合粉末进行选择性扫描 ,激光的作用使混合粉末中的粘结剂熔化并将金属粉末粘结在一起 ,形成金属零件的坯体。金属零件坯体需经后续处理 ,才能得到满足要求的功能性零件。这种工艺方法在实际中已得到应用。采用这种工艺路线 ,选用铁粉作为基体材料 ,同时加入一定量的粘结剂 ,采用小功率激光器(功率为 40W)进行烧结成形 ,得到一个非标准齿轮原型件。然后

12、进行后续处理 ,其工艺流程如图 4 所示。烧失粘结剂温度 400 ,保温时间 30 min ,无气氛保护。高温焙烧温度 1 080 ,保护气氛为氢气 ,保温时间 40 min。熔渗材料为紫铜 ,并用 NH3 气氛保护。2. 4 RPM技术在其他领域的应用以数字成像技术为基础的 CT、 MRI 等临床诊断手段可以获得人体扫描数据 ,扫描数据经计算机三维重建后可生成三维实体模型 ,采用 RPM 技术制作出人体局部器官 ,并能显示这些部位病变情况的实体结构 ,以用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定。国内外都有成功地将 RPM 技术用于临床的报道。如北京大学口腔医院将 RPM 技术用于人体颌面外科手术

13、获得成功 ,并取得了良好的疗效。RPM 技术在医疗方面的应用将是研究热点之一。此外 ,RPM 技术还可用于复制文物、 制作工艺品的设计原型或构造建筑实物模型等。3 快速成形技术的研究方向作为一项新型的制造技术,激光快速成形以其分层制造的思想和一体化的设计在其出现之始就引起了各界的广泛关注 ,迅速成为制造界的研究热点。经过十几年的发展 ,激光快速成形技术已突破了其最初意义上的 “原型” 概念 ,向着快速零件、 快速工具的方向发展。占主导地位的 SLA ,LOM ,FDM ,SLS等较成熟且已商品化的快速成形技术逐渐被学术界和工业界认识采用 ,并在实践中逐渐确定了自己的应用范围。但激光快速成形技术的产生与发展只有十几年时间 ,还有较大的发展空间:(1)没有粘结剂金属材料的快速制造 ,特别是高熔点、 高强度金属零件的制造;(2)各种快速成形方法中材料成形机理、 成形性的研究 ,最终形成快速成形材料的商品化;(3)成形工艺和设备的开发与改进 ,以提高原型件的表面质量、 尺寸精度、 机械性能;(4)探索 RP技术与传统加工、 特种加工技术相结合的多种加工手段综合工艺 ,为快速模具、 工具制造提供新的技术手段。随着激光快速成形技术的发展 ,新工艺、 新材料的不断出现 ,势必会对未来的实际零件制造产生较大影响 ,对制造业产生巨大的推动作用。参考文献：1李春祥