模具先进制造技术
第10章 模具先进制造技术
10.1 模具高速切削技术
高速切削技术是基于德国物理学家Carl Salomon 的切削实验得到的当切削速度增大某一值时,切削温度将随着切削速度的增加而降低这一结论,找到了降低切削力的物理基础。通常把切削速度比常规切削速度高5-10倍以上的切削称为高速切削。
不同材料高速切削速度范围:铝合金为1000-7000m/min,铜为900-5000m/min,钢为500-2000m/min,灰铸铁为800-3000m/min,钛合金为100-1000m/min,镍合金为50-500m/min。
不同加工方式高速切削速度范围:车削为700-7000m/min,铣削为200-7000m/min,钻削为100-1000m/min,铰削为20-500m/min,拉削为30-75m/min,磨削为5000-10000m/min。与之相对应的进给速度一般为2-25m/min,高的可达60-80m/min。
10.1.1 高速切削优越性
近年来,由于高速切削加工和常规切削加工相比,在提高生产率、减少热变形和切削力以及实现高精度、高质量零件加工方面具有显著的优越性,因此,高速切削加工越来越引起人们的关注。
1.材料切除率高
高速切削加工比常规切削加工单位时间材料切除率可提高3-6倍,因而零件加工时间通常可缩减到原来的1/3,从而提高了生产率和设备利用率。
2. 切削力低
和常规切削加工相比,高速切削力至少降低30%,这对于加工刚性较差的零件来说,可减少加工的变形,提高加工精度。同时,按高速切削单位功率比,材料切除率可提高40%以上,有利于延长刀具使用寿命,通常刀具耐用度可提高约70%。
3. 减少热变形
高速切削加工过程,95%以上的切削过程所产生的热量将被切屑带离工件,工件集聚热量极少,零件不会由于温度导致翘曲或膨胀变形。因此,高速切削特别适合于加工容易发生热变形的零件。
4. 实现高精度加工
应用高主轴转速、高进给速度的高速切削加工,其激振频率特别高,已远远超出机床-工件-刀具系统的固有频率范围,使加工过程平稳、振动较小,可实现高精度、低粗糙加工。
5. 增加机床结构稳定性
高速切削加工由于温升和单位切削力小,增加了机床结构稳定性,有利于提高加工精度和表面质量。
6. 良好的技术经济效益
10.1.2 高速切削的工业应用
在航空工业部门,现代飞机都采用整体制造加工技术,要通过切削加工出高精度、 232
高质量的铝合金或钛合金构件。美国、德国、法国、英国的许多飞机及发动机制造厂已经采用高速切削加工来制造航空零部件产品。英国EHV 公司采用日本松浦公司制造的MC-800VDC-EX4高速切削加工机床应用于加工航空专用铝合金整体叶轮,该机床有两个主轴,转速40000r/min,但叶片加工精度可达5µm ,总精度20µm 。
在模具工业,高速粗加工和淬硬后高速精加工也有发展前途,并有取代电火花(EDM )和抛光加工的趋势。德国Droop 公司生产的FOG2500铣床,主轴转速为10000-40000r/min,可用于汽车车身冲压模具和塑料模具加工,加工零件表面粗糙度和精确度可达50µm ,可取代电火花加工机床。
10.2 模具快速原型制造技术
10.2.1 快速成形技术的形成及发展
随着科学技术的进步,市场竞争日趋激烈,产品更新换代加速。缩短新产品的设计与试制周期,降低开发费用。是每个制造厂商面临的迫切问题。计算机技术在过去30年内已经成为各领域中强有力的工具。计算机用于产品设计,能显著提高设计效率与质量,但是CAD 不能解决制造过程所面临的所有问题。在产品设计完成到批量生产阶段之间,往往还要制造产品的原型样品,以便尽早地对产品设计进行验证和改进,这是一项费时费力的工作,视为“瓶颈”。
按常规方法制作产品原型,一般需采用多种机床加工或手工造型,时间长达几周或几个月,加工费用昂贵。另外,对于某些复杂形状的零件和硬质合金材料,即使采用多轴CNC 加工也还存在一些无法解决的问题。为解决上述问题,80年代中期以来,先后在美国、日本、西欧等国家出现了一种全新的造形技术—快速成形技术(Rapid Prototyping Manufacture .简称RPM) 。RPM 技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造二维物体的思想雏形,最早出现在制造技术并不发达的19世纪。早在1892年,Blanther 主张用分层方法制作三维地图模型。1979年东京大学的中川威雄教授,利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。光刻技术的发展对现代RPM 技术的出现起到了催化作用。
这是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控、激光技术和材料科学为一体的新型技术,它采用离散、堆积原理,自动而迅速地将所设计物体的CAD 几何信息转化成实物原型。另外,还可根据不同要求,将RPM 原型和铸造等传统工艺相结合,快速制造出实用零件。这项技术一产生就引起了学术和制造业界的广泛关注,被称为下一世纪制造业发展的方向。快速成型技术是一项直接面向产业界的综合性高新技术,美国(自1990年) 和欧洲(自1992年) 每年都要专门举行RPM 学术会议。美国机械工程师协会(SME)专门成立厂RPM 分会。 RPM 技术(包括其应用) 已成为众多国际学术会议的主要议题之一,备受瞩目。20世纪70年代末到80年代初期,美国3M 公司的Alan J.Hebert(1978年) 、日本的小玉秀男(1980年) 、美国的VUP 公司的Charles W Hull(1982年) 和日本的九谷洋二(1983年) ,在不同的地点各自独立地提出了RP 的概念,即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。
美国公司开发出了世界上第一套快速成形系统,即立体光照印刷成形系统(Stereo 233
Lithography Apparatus 简称SLA) 并于1986年申请了专利,组建了第一家从事RPM 技术研究、开发的3D 系统公司。1988年推出第一台商品化的快速成形系统SLP-1。继3D 系统公司之后,美国相继成立了数家从事快速成形技术研究开发的公司。例如,美国的Helisys 公司首创了分层物体制造方法(Laminated Objected Manufacture—LOM) ,UM 公司推出了选择性激光烧结方法 (Selective Laser Sinterning-SLS) 。Stratasys 公司开发了熔丝沉积制造方法(Fused Deposition Manufacture —FDM) ,麻省理工学院开发了三维印制法(Three Dimensjon Printing—TDP) 。
继美国之后,日本迅速开展了快速成形技术的研究,1988年三菱商社研制出与SLA 类似的光照成形系统,命名为紫外激光扫描立体生成法(SOULP,即Solid Object Ultraviolet Laser Ploter ) ,并率先在日本市场出售。随后,SONY 、三并造船、帝人制机等数家公司也投入快速成形技术的开发行列。西欧各国发展快速成形技术比美国和日本晚一二年,但是很快推出了自己的快速成形系统,例如德国ESO 公司的Stereos Eosint 系统,以色列Cubital 的Solider 系统等。在快速成形技术迅猛发展的同时,在许多国家出现了大量的快速成形技术应用服务机构(Rapid Prototyping Service Bureau)。应用快速成形技术的企业已经取得了明显的效益。例如,德国大众汽车公司采用RPM 技术中的分层物体制造方法,成功地制造了异常复杂的Golf 、Passat 轿车的齿轮箱体原型、精度超过传统方法,所用时间由8周缩短为2周。此原型用来作为铸模生产金属齿轮箱体铸件。又如美国的Ford 汽车公司采用RPM 原型和精密铸造工艺方法,生产出注塑模模腔嵌块,所花时间和费用仅为传统工艺的一半。该公司认为,随着RPM 技术进一步完善,将来制造注塑模的时间可减少到三周,费用降低60%,经济效益十分可观。美国Pratt & whitney 印快速制造实验室于1994年制造了2000个铸件,按常规方法约需700万美元,而用RPM 方法,只用了60一70万美元,生产时间节约了70%~90%。美国一设计高尔夫杆的公司,原来由手工艺人和设计者共同工作,用黄铜制作模型,费时费力,只制作三个方案。在设计一新球杆时,他们买了一台LOM —1015型的RPM 机,在一年之内做了90个物理模型。这样可以以低成本在短时间内尝试众多的方案。确定某一方案后,用LOM 机加工出注射模供制造蜡模,再用熔模铸造的方法,铸出不诱钢或钛的球杆头部模型。
我国自90年代以来也开展了相应的快速成形技术的研究和应用。有几家公司引进了国外的RPM 系统。清华大学、华中理工大学、西安交通大学、南京航空航天大学等几所高等院校及北京隆源自动成形有限公司均开展了快速成形技术的研究和开发,并开始有产品问世。例如,现已研制出的样机或系统有:华中理工大学基于分层物体制造方法(LOM)的HRP 系统、隆源公司基于选择性激光烧结(SLS)的RPS 系统,1995年11月在北京召开了中国第一届快速成形技术(RPM)学术及技术展示会,1997年国家科委专门召集了国内有关RPM 研究和应用单位,共同探讨了在我国推广RPM 应用的战略。
由于各国十分重视快速成形技术,每年都有一批研究成果问世,十分复杂的零部件已能用快速成形技术制造出来,企业应用该技术所取得的效益十分明显。 RPM 设备的需求量日益增大。
直接从计算机模型产生三维物体的快速成形技术,涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科,是由于现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的。 234
近年来,该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好应用。
10.2.2 快速成形技术基本原理
快速成型技术的具体工艺方法有多种,但其基本原理都是一致的。在成形概念上,以材料添加法为基本思想.目标是将计算机三维CAD 模型快速地[相对机加工而言) 转变为由具体物质构成的三维实体原型。其过程可分为离散和堆积两个阶段。首先在CAD 造型系统中获得一个三维CAD 模型。或通过测量仪器测取实体的形状尺寸,转化成模型,再对模型数据进行处理,沿某一方向进行平面“分层”离散化。然后通过专有的CAM 系统(成型机) 将成形材料一层层加工,并堆积成原型。其过程如图10-1所示。
在图101中,计算机辅助设计CAD 模型的形成与一般CAD 过程无区别,其作用是进行零件的三维几何造型。所以要求有较强的实体造型功能,并且应与后续软件有良好的接口。常用的硬件环境为工作站和高档微型计算机。常用的软件为Pro /E 、Auto CAD、SDRC 、Unigraphics 、CATA 、CADKEY 、Compervision 、EUCLID 等。这些软件系统能将零件的曲面或实体模型,自动转化成易于切片处理的表面三角形模型。对于SLA 、FDM 等成形方法.还要考虑在模型中加进支撑结构设计。由美国3D 系统公司开发的CAD 模型的STL 格式被公认为目前标准。它是用一系列的空间小平面(三角形面) 来代表物体表面,每个三角形都用一个法向(指向零件的内部和外部) 和三个顶点来描述。这样的三角形的顶点以及它们的法向数据汇集在一起,形成描绘三维实体的STL 格式。
图10-1 快速成形过程流程图
模型Z 向分离(切片) 是一个分层过程,它将SRL 格式的CAD 模型,根据有利于零件堆积制造而优选的特殊方位,横截成一系列具有一定厚度的薄层,得到每一切层的内外轮廓等几何信息,层厚通常为0.05~0.4mm 。若每层的厚度有变化时,可采用实时切片方式。层面信息处理就是根据层面几何信息,通过层面内外轮廓识别及补偿、废料区的特性判断等等,生成成形机工作的数控代码,以便成形机的激光头或喷口对每一层面进行精确加上。层面加工与粘结即根据生成的数控指令,对当前层面进行加工,并将加工出的当
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层与已加工好的零件部分粘合。当每一层制造结束并和上一层粘结后,零件下降一个层面,铺上新的当前层材料(新的当前层的位置保持不变) ,成形机重新布置,再加工新的一层。
如此反复进行直到整个加工完成,清理掉嵌在加工件中不需要的废料,即得完整的制件。后处理是对成形机完成的制件进行必要的处理,如深度固化、修磨、着色、表面喷镀等,使之达到原型或零件的性能要求。
经过上述过程可快速制造出原型。
10.2.3 快速原型制造技术的应用特点
快速成形技术开辟了不用任何刀具而迅速制作各类零件的途径,并为用常规方法不能或难于制造的零件或模型提供了一种新型的制造手段。由于RPM 技术的灵活性和快捷性,它在航天航空、汽车外型设计、玩具、电子仪表与家用电器塑料件制造、人体器官制造、建筑美工设计、工艺装饰设计制造、模具设计制造等技术领域已展现出良好的应用前景。国外运用RPM 技术的行业有:航空航天、汽车及有关生产、消费品、电器及日用品、电子产品、铸造厂、政府研究中心、医疗界、重工业、工模具厂、大学及理工研究所、原型制作/服务中心产品设计。归纳起来,快速成形技术有如下应用特点:
(1)传统原型制作方法一般采用电脑数控加工或手工造型,采用RPM 技术能由产品设计图纸、CAD 数据、或由测量机测得的现有产品几何数据,直接制成所描绘模型的塑料件或金属件,不需要任何模具、NC 加工和人工雕刻。
(2)由于快速成形技术采用将三维形体转化为二维平面分层制造机理,对工件的几何构成复杂性不敏感,因而能制造任意复杂的零件,充分体现设计细节,尺寸和形状精度大为提高,不需进一步机加工。
(3)快速制造模具。①能借助电铸、电弧喷涂等技术,由塑料件制造金属模具;②将快速制作的原型当作消失模(也可通过原型翻制制造消失模的母模,用于批量制作消失模) ,进行精密铸造;②快速制作高精度的复杂木模,进一步浇铸金属件;④通过原型制造石墨电极,然后由石墨电极加工出模具型腔;⑤直接加工出陶瓷型腔进行精密铸造。
(4)在新产品开发中的应用,通过原型(物理模型) ,设计者可以很快地评估一次设计的可行性并充分表达其构思。①外形设计,虽然计算机CAD 造型系统能在屏幕上从各个方向显示观察产品设计模型,但无论如何也比不上由RPM 所得的原型的直观性和可视性,对复杂形体尤其如此。制造商可用概念成形的样件作为产品销售的市场宣传工具,即采用RPM 原型,可以迅速地让用户对其开发的新产品进行比较评价,确定最优外观。②检验设计质量。以模具制造为例,传统的方法是根据几何造型(CAD)在数控机床上开模,这对昂贵的复杂模具而言,风险太大,设计上的任何不慎,就可能造成不可挽回的损失。利用RPM 技术,可在开模前真正精确地制造出将要注射成形的零件,设计上的各种细微问题和错误都能在模型上一目了然地显示出来,大大减少了盲目开模的风险。RPM 制造的模型又可正好作为数控仿形铣床的靠模。③功能检测。利用原型快速进行不同设计的功能测试,优化产品设汁。如风扇等的设计,可获得最佳扇叶曲面、最低噪声的结构。
(5)能根据有限元分析计算机辅助模拟(CAE)的结果,制作实体,检验仿真分析的正确性。在短时间内,用少的费用,对设计进行多次修改,制作相应的模型验证,使产品达到完美。
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(6)快速成形过程是高自动化,长时间连续进行的,操作简单,可以做到昼夜无人看管,一次开机直至整个工件加工结束都可自动进行。
(7)快速成形技术的制作过程不需要工装模具的投入,其成本只与成形机的运行费、材料费及操作者工资有关,与产品的批量无关,很适宜于单件、小批量及特殊、新试制品的制造。
(8)直接制造复合材料零件。
(9)快速造型中的反求工程具有广泛的应用。激光三维扫描仪、自动断层扫描仪等多种测量设备能迅速高精度地(达几个丝的精度) 测量物体外轮廓或内外轮廓并将其转化成CAD 模型数据,进行RPM 加工。应用包括:①现有产品的复制与改进,先对反求而得的RPM 模型在计算机中进行修改、完善,再用成形机快速加工出来;②医学上,将RPM 与CT 扫描技术结合,能快速、精确地制造假肢、人造骨筋、手术计划模型等;⑦人体头像立体摄影。数分钟内即可扫描完毕,由于采用的是极低功率的激光器,对人体无任何伤害。正因为反求法和RPM 的结合有广泛的用途,国外的RPM 服务机构一般都配有激光扫描仪。
从上可以看出,RPM 技术的应用使得产品的设计与制造过程有可能并行进行
(见图10—2) ,共成于一闭环系统,改变了传统的设计制造程式,它充分体现了设计—评价—制造—体化思想。
图10-2 RPM 并行运行示意图
10.2.4 快速成型技术典型方法
目前各种RPM 方法有几十种,但商品化比较好的主要有SLA 、LOM 、SLS 、FDM 、TDP 等原理的快速造型系统。
1. 立体光照成形SLA 法
SLA 采用紫外激光束硬化光敏树脂生成三维物体,该成形方法如图10—3所示。在液槽中盛满液态光敏树脂.该树脂可在紫外光照射下进行聚合反应,发生相变,由液态变成固态。成形开始时,工作平台置于液面下一个层高的距离,控制一束能产生紫外线的激光.按计算机所确定的轨迹,对液态树脂逐点扫描,使被扫描区域固化,从而形成一个固态薄截面,然后升降机构带动工作台下降一层高度,其上复盖另一层液态树脂,以便进
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第二层扫描固化,新固化的一层牢固地粘在前一层上,如此重复直到整个模型制造完毕,一般薄截面厚度为0.07—0.4mm 。
模型从树脂中取出后还要进行后固化,工作台上升到容器上部,排掉剩余树脂,从SLA 机取走工作台和工件,用溶剂清除多余树脂,然后将工件放人后固化装置,经过一定时间紫外曝光后,工件完全固化。固化时间依零件的几何形状、尺寸和树脂特性而定,大多数零件的固化时间不小于30min 。从工作台上取下工件,去掉支撑结构,进行打光、电镀、喷漆或着色即成。
紫外光的产生可以由HeCD 激光器,或者UV argon-ion 激光器。激光的扫描速度可由计算机自动调整,以达到不同的固化深度有足够的曝光量。X-Y 扫描仪的反射镜直接控制激光束的最终落点。它可提供矢量扫描方式。
SLA 是第一种投入商业应用的RPM 技术,全球最早和规模最大的RPM 公司—美国3D 系统公司,在1988一1990年,当其它RPM 技术尚未达到商品化程度时,就销售了SLA 设备254台。1994年底,全球共销售SLA 设备595台,其中3D 系统占RPM 设备的67%,1996年占52%。其特点是技术日臻成熟,能制造精细的零件,表面质量好,可直接制造塑料件,制件为透明体。不足之处有:
(1)SLA设备昂贵,例如一种工作台面较小的SLA —250系统就高达30万美元以上,加之所采用的紫外激光管每支数万美元,而使用寿命仅1000多小时,运行费用很高,一般用户特别是国内企业难以承受;
(2)造型用光敏树脂每公斤约l00美元左右,所加工制件成本高,同时光敏树脂还有一定毒性,需采取防污染措施;
(3)分层固化过程中,处于液态树脂中的固化层因漂浮易错位,须设计支撑结构与原型制件一道固化,前期软件工作量大;
(4)由于激光固化液态光敏树脂过程中,材料发生相变,不可避免地使聚合物收缩产生内部应力,从而引起制件翘曲和其它变形;
(5)成形材料一般是丙烯酸脂或环氧树脂等热固性光敏树脂,不能反复加热熔化,在消失铸造时只能烧失掉。
图10-3 立体光照成型示意图(SLA)
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3D 系统公司是RPM 设备开发的龙头,它最新推出SLA 一500/40的制作速度比SLA —500/30快45%。
在SLA 的基础上又产生了以色列的Cubital 公司的Solider 系统。该法成形每一层时要经过多个步骤。它也要用液态树脂成形。预先制好一系列的模板。模板可以重复利用。模板中的透明部分就是模型被切片后的截面形状。紫外光透过透明部分,使树脂固化。清除没有固化的部分,以蜡填充(蜡起支撑作用) 。然后将二者铣成同一厚度,作为下一层的加工平台。如此叠加完毕后,原型嵌在蜡块中。熔掉蜡后剩下的就是原型。
SOLIDER 系统特点适于制造大型的原型。用4kw 的灯照射比激光要快得多。SOLIDER 5600型成形机的加工尺寸为500mm ×350mm ×500mm 。
图10-4 立体光照成型示意固(SOLIDER )
2. 分层物体制造LOM 法
物体分层制造技术是近年来发展起来的又一种快速造形技术,它是通过对原料纸进行层合与激光切割来形成零件。如图10-5所示。LOM 工艺先将单面涂有热熔胶的胶纸带通过加热辊加热加压,与先前已形成的实体粘结(层合) 在一起。此时位于其上方的激光器按照分层CAD 模型所获得的数据,将一层纸切割成所制零件的内外轮廓。轮廓以外不需要的区域,则用激光切割成小方块(废料) ,它们在成形过程中可以起支撑和固定作用。
该层切割完后,工作台下降一个纸厚的高度,然后新的一层纸再平铺在刚成形的面上,通过热压装置将它与下面已切割层粘合在一起,激光束再次进行切割。胶纸片的一般厚度为0.07一0.15mm 。由于UM 工艺无需激光扫描整个模型截面,只要切出内外轮廓即可,所以制模的时间取决于零件的尺寸和复杂程度,成形速率比较高,制成模型后用聚氨酪喷涂后即可使用。
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图10-5 分层物体制造原理图(LOM )
LOM 是80年代末才开始研究的一种RPM 技术,商品化设备于1991年问世,但一出现就体现了其生命力,首创LOM 技术的Helisys 公司得到美国政府大力资助而一跃成为美国和全球第二大RPM 公司。1994年该公司LOM 设备的销售量,已与3D systems公司的SLA 设备并驾齐驱。LOM 发展很快是因其有以下特点:
(1)设备价格低廉.据华中理工大学经验,国产每台售价在人民币48万元左右,采用国外最好的元器件,售价也不过68万元。此外,因采用小功率CO 2激光器、不仅成本低廉,而且使用寿命也长;
(2)造型材料一般为涂有热熔树脂及添加剂的纸,制造过程中无相变,精度高,几乎不存在收缩和扭曲变形,制件强度和刚度高,几何尺寸稳定性好,可用通过木材加工的方法对表面进行抛光;
(3)造型材料成本低,国产材料价格为每公斤30元左右,制件成本远比SLA 方法便宜,这一点对于中等以上尺寸的制件尤为明显;
(4)采用SLA 方法制造原型,需对整个断面扫描才能使树脂固化,而LOM 只需切割断面轮廓,成形速率高,原型制作时间短;
(5)无需支撑设计,软件工作量小;
(6)能制造大尺寸制件,工业应用面广:
(7)代替蜡材,烧失时不膨胀,便于熔模铸造。
该方法也存在一些不足;制件材料的耐候性、粘结强度与所选的基材与胶种密切相关;废料的分离较费时间,目前正从材料的配方、加工参数的合理选取和软件层面处理等多方面采取措施进行改进。
Helisys 公司是LOM 系统的主要供应商,主要型号:LOM 一2030和LOM —1015。国内华中理工大学研制的LOM 原理的HRP 系统在多方面独具特色,己将进入市场。
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3. 选择性激光烧结SLS 法
SLS 采用激光器,使用的材料多为粉末状。先在工作台上均匀地铺上一层很薄(100一200µm ) 的热塑性粉末,也可以是金属粉末外覆盖一层热塑性材料而形成的粉末团。辅助加热装置将其加热到略低于熔点的温度。在这个均匀的粉末面上,激光在计算机的控制下按照设计零件在该层的几何信息进行有选择性地烧结(零件的空心部分不烧结,仍为粉末状态) ,被烧结部分固化在一起构成原型零件的实心部分。一层完成后,机械滚筒会将新一层粉末铺在原有一层上,再进行下一层烧结,如此重复,直至整个工件完成为止。全部烧结完后,工件从工作室里取出,用较低的压缩空气将多余的松散粉末吹掉,有些还要经砂纸打磨。去除多余的粉末,得到零件。图10—6为选择性激光烧结原理图。
SLS 最大的优点是材料的选择性广泛,可配合不同用途:无毒,可循环利用;另外,不需支承(未烧结的粉未能自然地承托工件) 。SLS 可处理以下粉末材料;
(1)标准的铸造蜡材,可用于失蜡铸造,制造金属原型、模具等;
(2)聚碳酸脂;标准的工业热塑性塑料,可建造功能模型及原型、坚固的铸芯(代替蜡材,用于Rapid Casting快速铸造法来建造金属原型及模具) 、复制用的母模,以及砂模铸造用的铸芯;其特点是坚固而耐热,积建速度快,能造出细微轮廓及薄壁;
(3)尼龙:标准的工程热塑性塑料,可制造功能测试用的原型;耐用、耐热、耐化学腐蚀;
(4)纤细尼龙:标准的工程热塑性塑料,可制造功能原型、砂模铸造用的铸芯,以及有装嵌需求的原型;
(5)金属:钢铜合金,适于制作模腔及模芯的银块。其强度相当7075铝材。用作注塑模具,此模具可生产5万件产品;
(6)其它发展中的物料。
DTM 公司的最新产品Sinterstation (烧结站)2500系统。制件范围已达330mm × 381mm ×432mg ,国内隆源公司开发出了ALS 成形机,已开始进入市场。
图10-6 选择性激光烧结原理图(SLS)
4. 熔丝沉积制造FDM 法
图10—7为FDM 示意图,FDM 喷头受水平分层数据控制,作X —Y 方向联动扫描及Z 方向运动,丝材在喷头中被加热至略高于其熔点,呈半流动融熔状态,从喷头中挤压出来,很快凝固,形成精确的层。每层厚度范围在0.025~ 0.762mm 之间,一层叠一层
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最后形成整体。FDM 工艺之关键是保持半流动成型材料刚好在凝固点之上,通常控制在比凝固温度高1℃左右。
FDM 所用材料为聚碳酸脂、铸造蜡材、ABS ,实现塑料零件无注塑模成形制造。 在该技术领域美国Stratasys 公司最为著名,其Stratasys1600为最新型。清华大学在这种成形方法上也做了大量研究。该种方法不采用激光,成本低,制作速度快,但精度相对较差。
图10-7 熔丝沉积制造原理图
(FDM)
5. 三维印刷系统TDP 法
该方法由麻省理工学院发明,也是一种不依赖于激光的成形技术。TDP 使用粉末材料和粘结剂,喷头在一层铺好的材料上有选择性地喷射粘结剂,在有粘结剂的地方粉末材料被粘接在一起,其它地方仍为粉末,这样层层粘结后就得到一个空间实体,去除粉末进行烧结就得到所要求的零件。TDP 法可用的材料范围可以很广,尤其是可以制作陶瓷模,主要问题是表面粗糙度差。
现在3D 系统公司推出了采用多喷头的TDP 方法(图10—8) ,制作零件的速度非常快,成本较低。
图10-8 TDP 原理图 242