基于快速原型制造技術(shù)材料的探討-課程論文

基于快速原型制造技術(shù)材料的探討摘要:本文簡述了快速原型制造技術(shù)及其基本原理,并介紹了數(shù)種典型工藝及其專用材料,探討并指出目前快速原型制造技術(shù)新材料研究中的主要工作。關(guān)鍵詞:快速原型制造技術(shù);基本原理;典型工藝;專用材料;新材料1基本原理快速原型制造技術(shù),又稱為快速成型技術(shù)(RapidPrototypingManufacturing,簡稱RPM,是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù),成型快捷性是其主要的技術(shù)特征。使用RPM技術(shù),能快速、自動、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變成一定功能的產(chǎn)品原型,或直接制造出零件,這對縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本、增強(qiáng)企業(yè)競爭力有重要作用。快速原型制造技術(shù),是一種基于離散和堆積原理的制造技術(shù)。它將零件的CAD模型,按一定方式離散成為可加工的離散面、離散線和離散點(diǎn),而后采用各種物理或化學(xué)手段,將這些離散的面、線段和點(diǎn)堆積,而形成零件的整體形狀。2典型工藝及使用材料目前見諸報(bào)道的快速成型技術(shù)工藝有數(shù)十種,其中較成熟和典型的工藝有:液態(tài)光敏樹脂選擇性固化(StereoLithographyApparatus,簡稱SLA;分層實(shí)體制造(LaminatedObjectManufacturing簡稱LOM;粉末材料選擇性燒結(jié)(SelectedLaserSintering,簡稱SLS;絲狀材料選擇性熔覆(FusedDepositionModeling,簡稱FDM;粉末材料選擇性粘結(jié)(ThreeDimensionalPrinting簡稱3DP。2.1液態(tài)光敏樹脂選擇性固化(SLA工藝(1成型過程。液態(tài)光敏樹脂選擇性固化(SLA又稱立體光刻工藝,采用計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光,以預(yù)訂原型各分層截面的輪廓為軌跡,逐點(diǎn)掃描,使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)后固化,從而形成一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化后,向上(或下移動工作臺,在剛剛固化的樹脂表面布放一層新的液態(tài)樹脂,再進(jìn)行新一層掃描、固化。新固化的一層,牢牢地粘合前一層,如此重復(fù),至整個(gè)原型制造完畢。(2對選用材料的要求。SLA技術(shù)的常用原材料為一般為液體熱固性光敏樹脂,如環(huán)氧樹脂、乙烯酸樹脂、丙烯酸樹脂等。SLA選用光敏樹脂材料要求有以下性能特點(diǎn):能迅速固化。在一定頻率的單色光的照射卜能迅速固化,并具有較小的臨界曝光和較大的固化穿透深度;固化收縮小。應(yīng)為固化收縮導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形、翹曲、開裂等,從而影響到成型零件的精度,低收縮性樹脂有利于成型出高精度零件;粘度低。成型中低粘度有利于樹脂在已固化層上面流平;膨脹小。濕態(tài)成型件在液態(tài)樹脂中的溶脹造成零件尺寸偏大。2.2分層實(shí)體制造(LOM工藝(1制造過程。分層實(shí)體制造(LOM技術(shù)制造零件的過程,是使單面涂有熱熔膠的卷筒紙通過熱壓裝置層層粘合,位于上方的激光器按照分層CAD模型所獲的數(shù)據(jù),將一層紙切割成零件的截面輪廓,然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面,激光束再次進(jìn)行切割。切割時(shí)工作臺連續(xù)卜降,直至完成零件的制作。(2對紙材料的要求。LOM技術(shù)?；静牧鲜羌?、熱熔膠等,但LOM對紙有特殊的要求:紙纖維的組織結(jié)構(gòu)要好。纖維長且粗大,分布均勻,纖維之問有一定空隙,有利于涂膠,也有利于力學(xué)性能的提高;厚薄要適中。在精度要求高時(shí),應(yīng)選擇薄紙,紙?jiān)奖≡骄鶆?LOM制件的精度就越高;在能滿足精度的前提卜,盡量選擇厚度大的紙,可以提高生產(chǎn)效率;有一定的力學(xué)性能。能承受一定的拉力,以便實(shí)現(xiàn)自動傳輸和收卷。紙的耐折度和抗撕裂度,也嚴(yán)重影響零件的力學(xué)性能;涂膠后紙的厚薄必須均勻。厚薄均勻才便于加工和保證零件的精度。此外LOM常用的材料右個(gè)屬箔、塑料薄障、陶瓷障等。2.3選擇性激光燒結(jié)(SLS工藝(1工藝過程。選擇性激光燒結(jié)(SLS工藝,是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末,并使燒結(jié)成型的固化層疊加,生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。整個(gè)工藝裝置由粉末缸和成型缸組成,工作時(shí)粉末缸活塞(送粉活塞上升,由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞上均勻地鋪上一層,計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型,控制激光束的二維掃描軌跡,有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料,以形成零件的一個(gè)層面。完成一層后,工作活塞下降一個(gè)層厚,鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉,控制激光束再掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù),層層疊加,直到三維零件成型。最后,將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。在燒結(jié)之前,整個(gè)工作臺被加熱至一定溫度,可減少成型中的熱變形,并有利于層與層之問的結(jié)合。(2材料的選擇原則。在SLS工藝中,金屬粉末材料的選擇原則,主要應(yīng)考慮以卜4個(gè)方面:一是成形精度,二是成形速度,三是成形件強(qiáng)度,四是成本。此外,相對簡單的工藝,如減少打磨修整時(shí)問等,也在考慮之列。2.4絲狀材料選擇性熔覆(FDM技術(shù)(1工藝過程。絲狀材料選擇性熔覆(FDM技術(shù),是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化,通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來。噴頭可沿著X軸方向移動,而工作臺則沿Y軸方向移動。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度,而成型的部分溫度稍低于固化溫度,就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后,隨即與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起。一個(gè)層面沉積完成后,工作臺按預(yù)定的增量卜降一個(gè)層的厚度,再繼續(xù)熔噴沉積。(2應(yīng)用材料。FDM工藝使用兩種材料:一種是沉積實(shí)體部分的成型材料;另一種是沉積空腔或懸臂部分的支撐材料。目前,應(yīng)用于FDM工藝的材料,基本上是聚合物成型材料,一般為ABS、石蠟、尼龍、聚碳酸醋(PC或聚苯颯(PPSF等。支撐材料有兩種類型:一種是剝離性支撐,需要手動剝離零件表而的支撐:另外一種是水溶性支撐,可分解于堿性水溶液中。2.5粉末材料選擇性粘結(jié)技術(shù)(3DP(1粉末材料選擇性粘結(jié)技術(shù)(3DP,快速成型機(jī)的噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下,按照截面輪廓的信息,在鋪好的一層層粉末材料上,有選擇性地噴射粘結(jié)劑,使部分粉末粘結(jié),形成截面輪廓。一層成型完成后,工作臺卜降一截面層的高度,再進(jìn)行下一層的粘結(jié),如此循環(huán),最終形成三維產(chǎn)品。(23DP技術(shù)常用的材料,包括合適的粉末材料如金屬、塑料、石膏、復(fù)合材料等,及與之相匹配具有低的薪度和較高的表面張力的粘結(jié)溶液以及后處理材料。3新材料的開發(fā)及主要研究方向目前,雖然已經(jīng)初步研究了一些適應(yīng)不同快速成形方法的材料,如通過添加適當(dāng)化學(xué)組合的光敏樹脂、覆膜樹脂砂、預(yù)涂覆熱敏膠的纖維紙等。但目前應(yīng)用的快速成形材料,仍然是已有的少數(shù)商品化材料,并且對這些現(xiàn)有的商品化材料的快速成形性研究,也只是零星地做了工作,還沒有較多的科學(xué)數(shù)據(jù)。目前,尚無專門的快速成形材料制造商。此種狀況,不僅影響快速成形材料或成形零件的質(zhì)量,而且還不利于快速成形技術(shù)的廣泛應(yīng)用和適應(yīng)大量的需求。因此,需加大對現(xiàn)有材料的快速成形性研究力度,以滿足快速成形技術(shù)的工業(yè)化需求。合適的材料,是快速原型制造的關(guān)鍵。目前國內(nèi)的材料主要依賴進(jìn)口,價(jià)格較昂貴。開發(fā)研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)成形材料,是RPM技術(shù)不斷推廣的當(dāng)務(wù)之急;開發(fā)全新的RPM新材料,如復(fù)合材料、納米材料、非均質(zhì)材料、活性生物材料等,是當(dāng)前國內(nèi)外RPM成型材料研究的熱點(diǎn)?？焖俪尚尾牧系男阅?直接影響到原件的性能,從而影響到快速成形技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前在新材料方面的工作,主要是:開發(fā)研制專用材料,以適應(yīng)專門需要;研制多種通用材料,以滿足多種需求;建立更加完善材料的性能數(shù)據(jù)庫;開發(fā)性能更加優(yōu)越、無污染的綠色環(huán)保材料;研制性能更加完善的適合RPM各種工藝使用的材料體系;利用計(jì)算機(jī)軟件對材料的成形過程和成形性能進(jìn)行模擬、演示、分析。4結(jié)束語RPM技術(shù)是制造技術(shù)的一項(xiàng)革命,將伴隨新材料、新工藝和新技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展進(jìn)步。隨著成本的降低,工藝的簡化,成形精度的提高和材料綜合性能的改善,快速原型制造技術(shù)將在機(jī)械制造、汽車、航空航天、飛機(jī)制造、和軍事工業(yè)中,都得到更廣泛的應(yīng)用,同時(shí)開展新的材料成形技術(shù)的探索,將不斷拓寬RPM技術(shù)的應(yīng)用。參考文獻(xiàn):[1]張曙,穆蘭.快速原型制造及其基本原理[[J].機(jī)電一體化,