快速原型制造中典型工艺方法对比分析殷同庆120125122

河南机电高等专科学校先进制造技术课程论文论文题目：快速原型制造中典型工艺方法对比分析系部：机械工程系专业：起重运输机械设计与制造班级：起机121学生姓名：殷同庆学号：120125122指导教师：安林超2014年10月20日河南机电高等专科学校1绪论1.1选题依据1.1.1课题的提出模具是现代工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备,在某些产品(如塑料件)的批量化成形加工中,模具成形甚至是唯一的加工工艺。模具在成形工艺中对成形件尺寸、形状精度和内在质量具有重要作用[`]。传统的机械加工方法制造的模具具有高投入、长工期、长寿命的特点,对于大、中批量生产,模具的这种高投入可由其长寿命加以补偿。20世纪80年代以来,随着市场竞争的日趋加剧,要求企业必须能快速响应市场和用户的需求,促使工业产品的生产模式由传统的大、中批量向具有灵活、易变性和快速反应能力的中、小批量转变。在这种条件下,传统的模具制造方法由于其自身固有的生产周期长、投入风险高、产品改进困难等缺点,在一定程度上成为企业在市场竞争中发挥活力的制约因素。针对传统的机械加工模具制造技术的上述缺点,近年来研究开发了适用于新产品、样机试制和中、小批量规模生产的基于快速原型技术的快速模具技术。快速模具的基本技术特征是非机械加工型腔复制,其关键技术之一是母模原型件的设计与制造。传统的快速制模一般采用己有制件或机加工件作为母模,对于较复杂的和精度要求较高的快速模具,传统的母模设计制造模式显得束手无策,己成为制约快速模具制造技术发展的瓶颈。基于快速原型制造的快速模具技术集成快速原型制造高新技术和传统的非机械加工型腔复制技术,发挥各自优势,已成为产品快速更新换代和新产品开发及中、小批量生产的有效手段之一2[]。随着计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展,快速原型及快速制模技术如虎添翼,应用范围不断扩大,类型不断增多。快速制模技术与传统的机械加工相比,具有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满足生产使用要求的特点,可以迅速响应市场和用户需求的变化,加快产品投放市场的速度,对于形状比较复杂的中小型模具,具有比较显著的综合经济效益。在快速制模技术中,制造出尺寸精度比较高的快速原型是前提,但大部分快速成型得到的原型因材质和成型工艺的限制,不能直接作为模具使用3J[。只有解决好快速原型向模具的转化,并且保证工艺转换过程中尺寸精度的保持,才能真正实现模具的快速经济制造。本课题“基于快速原快速原型技术及其发展现状河南机电高等专科学校21.1.2课题来源快速成形制造技术(RapidrototigadMaufactruig,简称RPM)是20世纪80年代末迅速发展起来的一种先进制造技术。它将在计算机上可见的设计图形,迅速、准确地成产品原型或直接制造零件,因此对缩短产品开发的周期、减少开发费用、提高市场争能力都具有重要的现实意义。即M技术是集合计算机技术、CAD、机械工程、数技术、检测技术、激光技术和材料科学的高新技术,十几年来,该技术在国内外得到了速的发展,并将成为21世纪制造业的重要组成部分。型的快速模具制造技术的研究正是在这种背景下提出的。快速成型技术的几种典型工艺1.2快速成型技术的几种典型工艺1.2.1光固化立体造型技术sL(stereoliht红即hy)这种方法是最早出现、应用最为广泛的一种快速原型技术,它的工作过程为:工作槽中盛满液态光敏树脂(在一定波长的光的照射下发生固化),升降工作台上附带有导轨和刮板。当成形开始时,先在工作台上铺一层设定层厚的液态树脂,光源在计算机的控制下按本截面轮廓要求,作横向和纵向扫描,使轮廓内的树脂固化。工作台下降,在上一层的基础上再铺上另一层树脂,导轨带动刮板运动刮平树脂,然后光源再纵横向扫描固化树脂,新固化的一层就牢固地粘接在先前固化的一层上,如此重复直到整个原型成形完毕。为降低成本,美国和日本研制采用紫外光光源取代激光光源。如果将陶瓷粉或金属粉加入到液态树脂中,固化出原型,高温烧掉树脂聚合物后,就可以得到陶瓷或金属制件,也是目前前沿研究的内容之一。1.2.2熔融沉积造型技术FDM(FusedDepositionModeling)在计算机的控制下,加热喷头根据截面轮廓的信息,作平面运动和高度方向运动,加热熔丝材(如塑料丝、尼龙等)就被选择性地涂覆在工作台上,快速冷却后成截面轮廓,一层完成后进行下一层的涂覆,循环得到三维产品。FDM己经成为最为流行的快速成型工艺之一。在96年,FDM工艺的成型机销售量已超过了SL工艺的成型机。按照它的成形机理,理论上任何可熔化的材料都可用。目前使用的是蜡、尼龙、塑料等材料,人们现在在研究将金属和陶瓷等材料应用到这种方法中,用陶瓷或金属粉末(不锈钢、黄铜、铝、铁等)分别加上聚合物粘接剂,成型后高温烧掉聚合物,就可以得到制件。为了提高速度和精度,在路径的生成方式、喷头在平面内的运动速度和材料的进给速度等方面都有待于进一步研究。河南机电高等专科学校31.2.3三维打印技术3D一P(ThereeDimensionalprinting)它相当于“打印”,电信号控制许多喷嘴头像打印头一样快速地前后移动,一层叠一层地喷出热敏聚合物,很快固化,从而形成了实际零件。这种方法首先是在美国麻理工学院研制出来的。它用金属粉加粘接剂或陶瓷粉加粘接剂等材料来成形原型,成型以后高温烧掉粘接剂,再渗入铜以加大密度51t。美国z公司采用了多达125个喷头来加快成形速度,是迄今为止速度最快的RP系统。基于快速原型的快速模具制造技术的研究1.2.4选择性激光烧结SS(SlctdarsSitrig)激光束在计算机控制下,按照截面轮廓的信息,对轮廓实心部分所在的粉末(塑料粉或陶瓷粉或金属粉与粘接剂的混合粉)进行烧结,一层完成以后,再烧结另一层,逐步得到各层轮廓,最后得到三维产品。SLS法可以采用一般聚合物、非晶态聚合物、金属、陶瓷等多种材料粉末。为了消除内应力,有些机器采用了双激光束,一束高能量的用来烧结粉末材料,一束较发散的用来加热固化后的区域以减小热应力。1.2.5分层实体制造LOM(LmaineatdObjeetedMnauacfotring)这种工艺方法是根据产品三维模型各截面的轮廓,在计算机的控制下,激光逐层地对涂胶的薄形材料进行扫描,将各层之间粘接起来,并对轮廓进行切割,最终得到产品。这种方法使用的材料目前商用的主要只有纸,其它的材料如塑料、陶瓷、金属等目前正处于研究阶段。1.3RPM技术典型的工艺及设备RPM技术典型的工艺及设备的比较是有成形方式，采用原材料，特点及使用范围；代表性设备型号及生产厂家，设备主要技术指标等进行对比。1.3.1成形方式立体光刻(SL):液槽中盛满液态光敏树脂，可升降工作台位于液面下一个截面层的高度，聚焦后的紫外激光束在计算机控制下，按截面轮廓要求沿液面进行扫描，使扫描区域固化，得到该层界截面轮廓。工作台下降一层高度，其上覆盖液态树脂，进行第二层扫描固化，新固河南机电高等专科学校4化一层牢固地粘结在截面轮廓上。如此重复，形成三维实体。分层实体制造（LOM）:将制品的三维模型经分层处理后，在计算机控制下，用co2激光束选择性地按分层轮廓切片，并将各层切片粘结在一起，形成三维实体。选择性激光烧结（SLS）:在工作台上铺一层粉末材料，CO2激光束在计算机控制下，依据分层的截面信息对粉末进行扫描，并使制件截面实心部分的粉末烧结在一起，形成该层轮廓。一层成形完成后，工作台下降一个高度，再进行下一层的烧结，如此循环，最终形成三维实体。熔融堆积成形（FDM）:根据CAD产品模型分层软件确定的几何信息，有计算机控制可挤出熔融状态材料的喷嘴，挤出半流动的热塑材料，沉积固化成精确地薄层，逐渐堆积成三维实体。三维打印（3DP）:采用喷墨打印机原理将熔融的材料有序地喷出，一个层面又一个层面地堆积而最终形成的三维实体。1.3.2采用原材料立体光刻(SL):液态光敏树脂。分层实体制造（LOM）:纸基卷材、陶瓷箔、金属箔。选择性激光烧结（SLS）:塑料粉、金属基或陶瓷基粉。熔融堆积成形（FDM）:ABS、石蜡、聚酯塑料。三维打印（3DP）:塑料粉、金属基或陶瓷基粉。1.3.3特点及使用范围立体光刻(SL):材料利用率及性能价格比较高，但易翘曲，成形时间较长；适合成型小型零件，可直接得到塑料制品。分层实体制造（LOM）:翘曲变形小，尺寸精度高，成形时间短，制件有良好的力学性能，适合成形大、中型件。选择性激光烧结（SLS）:成形时间较长，后处理较麻烦，适合成形小件，可直接得到塑料、陶瓷或金属制品。熔融堆积成形（FDM）:成形时间较长，可采用多个喷头同时进行涂覆，以提高成型效率，适合成形小塑料件。三维打印（3DP）:成形时间较长，可采用多个喷头同时进行粘结，高成型效率，适合成小河南机电高等专科学校5型件。1.3.4设备主要技术指标立体光刻(SL):最大制件尺寸：250mm250mm250mm尺寸精度：0.1mm分层厚度：0.1~.3mm扫描速度:0.2~2m/s分层实体制造（LOM）:最大制件尺寸：815mm550mm500mm尺寸精度：0.1mm分层厚度：0.1~0.2mm切割速度：0~500m/s选择性激光烧结（SLS）:最大制件尺寸：340mm340mm590mm激光定位精度：30um分层厚度：0.1~0.25mm最大扫描速度：2m/s熔融堆积成形（FDM）:最大制件尺寸：254mm254mm254mm尺寸精度：0.127mm分层厚度：0.05~0.76mm扫描速度:0~500m/s三维打印（3DP）:最大制件尺寸：200mm250mm200mm分层厚度：0.1~0.3mm最大扫描速度：2m/s河南机电高等专科学校6表1-1几种典型的RP工艺的优、缺点比较精度表面质量材料费用材料利用率运形成本生产成本设备费用市场占有率/%SLA好优较贵接近100%较高高较贵70SLS一般一般较贵接近100%较高一般较贵10LOM一般较差较便宜较差较低高较便宜7FDM较差较差较贵接近100%一般较低较便宜61.4结论与展望1.4.1结论分层实体制造(LM)快速原型具有较好的机械强度,加工过程稳定,收缩变形小,通过浇注树脂反型或封闭特殊涂料,可以进行化学镀铜而获得均匀的导电层;脉冲电铸铜经过工艺参数优化,能得到结晶致密、复制精度极高的电沉积层;在铜电铸层上电弧喷涂铜,能获得导电性和导热性良好、结合力较强的涂层。把LOM成型、化学镀铜、脉冲电铸铜和电弧喷涂铜工艺结合起来,能实现电火花电极的快速经济制造,所得电极的电加工性能达到常规电火花加工紫铜电极的要求。熔融沉积制造F(DM)成型工艺速度快、运行成本低,成型材料ABS丝具有良好的化学镀性能;使用优化工艺参数电铸镍,可以得到具有高机械强度和硬度、耐磨性和耐蚀性良好的镍电铸层;把电弧喷涂Zn一Al伪合金和环氧树脂浇注相结合,可以在镍电铸层上得到结合力强、支撑力均匀的背衬。将化学镀镍、脉冲电铸镍与FDM成型技术结合起来,能实现具有复杂型面的注塑模型腔的快速经济制造。1.4.2进一步工作展望结合本论文的研究工作,提出以下几点展望:一.对影响LOM和FDM工艺成型精度的因素进行研究,从原理和技术上找到提高快速成型尺寸精度和表面精度的途径。二.寻求解决电铸过程中电力线分布不均匀的办法,改善镀层的均匀性;进行Ni一C。合金电铸和复合电沉积的研究,寻找比电铸镍具有更高的机械性能和耐腐蚀性能的电沉积方法,河南机电高等专科学校7进一步提高电铸模具的使用性能。三.通过真空浇注等手段,提高在LOM原型上浇注树脂型的表面质量;利用硅橡胶良好的浇注复制性能,在LOM原型上进行硅橡胶浇注,进行硅橡胶化学镀的研究。四.研究电火花电极的尺寸和形状与电铸层和电弧喷涂层的厚度之间的对应关系,以求得到最优值,缩短电铸和电弧喷涂的时间;对电铸镍模具的性能进行进一步试验,研究模具的具体尺寸形状与镍电铸层厚度之间的对应关系。河南机电高等专科学校8参考文献[1]机械电子工业部.模具结构与设计基础.北京:机械工业出版社.1939[2]张连洪,崔国起