快速成型技術(shù)及其在鑄造中的應(yīng)用解析

第2章 快速成型技術(shù)及其在鑄造中的應(yīng)用引言快速成型〔RapidPrototyping-RP〕技術(shù)是國(guó)際上開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)高科技成果，簡(jiǎn)稱快速成型技術(shù)。它的核心技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，依據(jù)CAD生成的零件幾何信息，把握三維數(shù)控成型系統(tǒng)，通過(guò)激光束或其它方法將材料積存而形成零件的。用這種方法成型，無(wú)需進(jìn)展費(fèi)時(shí)、耗資的模具或?qū)Ｓ霉ぞ叩脑O(shè)計(jì)和機(jī)械加工，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。從制造原理上講，快速成型〔RP〕技術(shù)一改“去除”為“積存”的加工原理，給制造技術(shù)帶來(lái)了革命性的飛躍式進(jìn)展?；赗P原理的快速制造技術(shù)經(jīng)十幾年的進(jìn)展，在創(chuàng)RP技術(shù)的應(yīng)用可大大加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速求企業(yè)對(duì)市場(chǎng)能快速響應(yīng)并不斷推出產(chǎn)品占據(jù)市場(chǎng)，如型機(jī)的市場(chǎng)壽命僅6個(gè)月，又如臺(tái)灣和日本摩托車行業(yè)，每三個(gè)月就推出一種型摩托車投入市場(chǎng)，摩托車幾萬(wàn)輛就需改型。二十世紀(jì)九十年月以來(lái)，在信息互聯(lián)網(wǎng)支持下，由快速設(shè)計(jì)、反求工程、快速成形、快速制模等構(gòu)成的快速制造技術(shù)取得很大進(jìn)展。70803MAlanJ.Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980UVPCharlesW.Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983RP體的思想。CharlesW.HullUVPStereolithographyApparatus(SLA)的完整系統(tǒng)SLA-1，1986年該系統(tǒng)獲得專利，這是RPCharlesW.Hull和UVP3DSystem1984年MichaelFeygin提出了薄材疊層〔LaminatedObjectManufacturingLOM〕的方法，并于1985Helisys1992LOM-1015。1986Texas大學(xué)的爭(zhēng)論生C.Deckard(SelectiveLaserSintering，簡(jiǎn)稱SLS)DTM1992年開(kāi)發(fā)了基于SLS的商業(yè)成形系統(tǒng)Sinterstation。ScottCrump1988(FusedDepositionModelingFDM)的思想，19923D-Modeler80年月中期SLA90年月后期，消滅了幾十種不同的RP3DPSLA、LOM、SLSFDMRP目前世界上已投入應(yīng)用的快速成型裝置所承受的主要方法有以下6種：SLA〔StereoLithography〕法--立體平版印刷法；SLS〔SelectiveLaserSintering〕--激光分層燒結(jié)法；LOM〔LaminatedObjectManufactu-ring〕--激光薄片疊層制造；SGC〔SoldGroundCuring〕--光掩膜法；FDM〔FusedDeopositeManufacturing〕--熔絲沉積成型法；DSPC(DirectShellProductionCasting)—直接陶瓷殼法。在計(jì)算機(jī)上繪制所需生產(chǎn)零件的三維模樣，用切片軟件將立體模樣切成一系列不同高度處截面的二維平面輪廓曲線，然后用快速成型機(jī)自動(dòng)形成每一截面的輪廓，并將各截面逐一疊加，組合成所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的模樣實(shí)物。上述整個(gè)過(guò)程均在一臺(tái)機(jī)器上完成，能在幾小時(shí)或幾十小時(shí)內(nèi)制造出高精度的模樣實(shí)物。此外，還有一些方法尚處于爭(zhēng)論之中。在這6種方法中，SLA法最成熟，也是市場(chǎng)的最大占有者。在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往是靠機(jī)械加工的方法，有例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、船用螺旋漿，汽車、拖拉機(jī)的缸體、缸蓋等，模具的制造更是一但除了設(shè)備價(jià)格昂貴之外，模具加工的周期也很長(zhǎng)，而且由于沒(méi)有很好的軟件系統(tǒng)支持，機(jī)床的編程也很困難。面對(duì)今日世界上經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品的更換代日益加快，鑄造模具加工的現(xiàn)狀很難適應(yīng)當(dāng)前的形勢(shì)。而快速成型制造技術(shù)的消滅為解決這個(gè)問(wèn)題供給了一條頗具前景的路。目前，國(guó)際上快速成型技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用主要有以下3個(gè)方面。直接澆注鑄件模樣這種方法適用于外形簡(jiǎn)潔的單件生產(chǎn)，例如航空航天工業(yè)中的特鑄件，或者是在產(chǎn)品試制時(shí)先做一兩個(gè)鑄件供進(jìn)一步試驗(yàn)用。具體操作是先用快速成型制作易熔模，然后將模樣或者用熔模鑄造方法制殼澆注鑄件，或者用消逝模鑄造方法直接澆注鑄件。在用SLS法成型時(shí)，當(dāng)以石蠟粉末為原料，直接制出石蠟原型來(lái)，可以便利在澆出鑄件。用原型翻制母模后再澆注鑄件硬砂型方法等翻制母模，然后制蠟?zāi)；蛑苯訚沧⒊设T件。SLS法所使用的原料為石蠟、尼龍或聚碳酸酯等。用聚碳酸酯材料燒結(jié)制成的模樣，在很多性能上優(yōu)于石蠟，可以做很多簡(jiǎn)潔的高精度件。美國(guó)克萊斯勒公司和通用機(jī)器公司應(yīng)用SLS法削減型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的開(kāi)發(fā)費(fèi)用?？巳R斯勒公司用SLS法制成蠟?zāi)?，生產(chǎn)外形很簡(jiǎn)潔的汽車進(jìn)排氣管，通用機(jī)器公司也用這種方法來(lái)制造航天器上的簡(jiǎn)潔零件Rorketdyhe公司甚至用蠟和尼龍來(lái)做簡(jiǎn)潔的六缸氣缸體模樣，然后用熔模鑄造的方法生產(chǎn)鑄件。利用原型模樣制造模具這個(gè)方面的應(yīng)用最廣泛，可用于鑄件的大量生產(chǎn)。型模樣，再進(jìn)展外表噴鍍，或者是用LOM法燒結(jié)陶瓷原型，然后將模樣直接安裝在模板、芯盒上使用。這樣可以削減模具的制造周期，本錢(qián)比用數(shù)控機(jī)床加工還有所降低。美國(guó)福特汽車公司用LOM法制造長(zhǎng)685mm3成砂型鑄造用的模板，尺寸精度到達(dá)±0.13mm。型模樣做成芯盒或壓蠟?zāi)＞?。CAD原型，再用上述各種方法直接鑄造出金屬模具。立體平板印刷(SLA)技術(shù)工藝原理SLA技術(shù)又稱光固化快速成形技術(shù)，其原理是將所設(shè)計(jì)零件的三維計(jì)算機(jī)圖象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列很薄的模樣截面數(shù)據(jù).然后在快速成型機(jī)上用計(jì)算機(jī)把握激光束對(duì)光敏樹(shù)脂為原料的外表進(jìn)展逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層〔約格外之幾毫米〕產(chǎn)生光聚合反響而化好的樹(shù)脂外表再敷上一層的液態(tài)樹(shù)脂，進(jìn)展下一層的掃描加工，如此反復(fù)，直到整個(gè)原型制造完畢。該工藝從零件的最低薄層截面開(kāi)頭,連續(xù)進(jìn)展,一般每層厚度為0.076-0.381mm。最終將模樣從樹(shù)脂液中取出，進(jìn)展最終的硬化處理，再打光、電鍍、噴涂2-1SLA2-2SLA技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用2-1SLA工藝原理圖由于光聚合反響是基于光的作用而不是基于熱的作用，故在工作時(shí)只需功率較低的激光源。此外，由于沒(méi)有熱集中，加上鏈?zhǔn)椒错懩軌蚝芎玫匕盐?，能保證聚合反響不發(fā)生在激光點(diǎn)之外，因而加工精度高2-1SLA工藝原理圖SLA7mm/h0.1747SLA用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管試驗(yàn)，進(jìn)氣管內(nèi)腔外形是由格外簡(jiǎn)潔的自由曲面構(gòu)成的，它對(duì)提高進(jìn)氣效率、燃燒過(guò)程有格外重要的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)不同的進(jìn)氣管方案做氣道試驗(yàn)，傳統(tǒng)的方法是用手工方法加工出由幾十個(gè)截面來(lái)描述的氣管木模或石膏模，再用砂模鑄造進(jìn)氣管，加工中，木模工對(duì)圖紙的理解和本身的技術(shù)水尋常導(dǎo)致零件與設(shè)計(jì)但其預(yù)備時(shí)間長(zhǎng)，特別是幾何外形簡(jiǎn)潔時(shí)更是如此。英國(guó)Rover公司使用快速成型技術(shù)生產(chǎn)進(jìn)氣管的外模及內(nèi)腔模，取得了令人滿足的效果。SLA工藝的缺點(diǎn)是在液態(tài)樹(shù)脂固化過(guò)程中，模樣收縮后引起變形量較大，在型殼焙燒中，因樹(shù)脂模易使型殼開(kāi)裂，需要用型樹(shù)脂制造尺寸準(zhǔn)確的半空模樣來(lái)抑制次缺點(diǎn)。另外，該法必需用臘替代每層薄截面輪廓外未固化的樹(shù)脂，以便支撐下一層。這樣一層層制作，直到模樣完成，然后加熱去掉支撐臘，操作上很麻煩。該工藝不適合制造尺寸較厚、較大的鑄件，并且光敏樹(shù)脂價(jià)格昂貴〔高于黃金價(jià)格，一般民用產(chǎn)品難以承受。2-2SLA5000美國(guó)、日本、德國(guó)、比利時(shí)等都投入了大量的人力、物力爭(zhēng)論該技術(shù)，并不斷有產(chǎn)品問(wèn)世。我國(guó)西安交通大學(xué)也研制成功了立體光造型機(jī)LPS600A。目前，全世界有10多家工廠生產(chǎn)該產(chǎn)品。選擇性激光燒結(jié)〔SLS〕技術(shù)工藝原理SLS技術(shù)與SLA技術(shù)很相像，只是用粉末原料取代了液態(tài)光聚合物，并以確定的掃描速度和能量作用于粉末材料。以國(guó)產(chǎn)AFS2-3圖2-3 SLS成型原理AFS激光快速自動(dòng)成型機(jī)承受選區(qū)激光燒結(jié)〔SLS〕原理。主要由兩個(gè)過(guò)程組成。信息過(guò)程〔離散。在計(jì)算機(jī)上建模的CAD三維立體造型零件，或通過(guò)逆向工程得到的三維實(shí)體圖形文件，將其轉(zhuǎn)換成STL文件格式。再用一離散〔切片〕軟件從STL文件離散出一系列給定厚度的有序片層?；蛘咧苯訌腃AD文件進(jìn)展切片。這些離散的片層按次序累積起來(lái)仍是所設(shè)計(jì)的零件實(shí)體外形。然后，將上述的離散〔切片〕數(shù)據(jù)傳遞到成型機(jī)中去，成型機(jī)中的掃描器在計(jì)算機(jī)信息的把握下逐層進(jìn)展掃描燒結(jié)。物理過(guò)程〔疊加。成型系統(tǒng)的主體構(gòu)造是在一個(gè)封閉的成型室中安裝兩個(gè)缸體鋪粉滾筒將粉料均勻地鋪在成型缸加工外表上，激光束在計(jì)算機(jī)的把握下以給定的速度和能量對(duì)第一層信息進(jìn)展掃描。激光束掃過(guò)之處粉末被燒結(jié)固化為給定厚度的片層，未燒結(jié)供料缸活塞上移，鋪粉滾筒再次鋪粉，激光束再按其次層信息進(jìn)展掃描，所形成的其次片層同時(shí)也被燒結(jié)固化在第一層上，如此逐層疊加，一個(gè)三維實(shí)體零件就制作出來(lái)了。工藝應(yīng)用理性、可裝備性、美觀性，找出設(shè)計(jì)缺陷、完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。量和特別簡(jiǎn)潔零件的直接生產(chǎn)，無(wú)需開(kāi)模具。其工藝過(guò)程如流程圖2-5?？焖倌＞咧圃?。直接制造模具：如低熔點(diǎn)合金模、鑄造芯盒；翻模成型：如用快速成型先制作塑料樣件，作為模具母模用于翻制硅膠模。樣品制作。產(chǎn)品替代品，用于呈現(xiàn)產(chǎn)品，進(jìn)展市場(chǎng)調(diào)研。a蘇州科雷特公司產(chǎn)AFS系列 b美國(guó)3dsystems公司的vanguard系列2-4SLS2-5AFS快速鑄造生產(chǎn)過(guò)程示意圖常用造型材料介紹精鑄蠟粉〔PCP1〕由化學(xué)合成法制得。具有燒結(jié)性好，變形小，預(yù)熱溫度低〔40℃以下〕的優(yōu)點(diǎn)。制得的燒結(jié)成型件經(jīng)簡(jiǎn)潔后處理，即可作為精鑄蠟?zāi)Ｊ褂?；承受蒸氣法脫模，避開(kāi)了環(huán)境污染。原型燒結(jié)粉該粉末燒結(jié)性能優(yōu)良，熔點(diǎn)較低，燒結(jié)變形小，利于加工成型，可重復(fù)使用。其燒結(jié)成型件經(jīng)不同的后處理方法具有以下功能：結(jié)合浸樹(shù)脂工藝，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，可作為原型件及功能零件。經(jīng)浸蠟后處理，做為精鑄模使用，可用燃燒法便利脫除。CCP，后處理工藝包括，脫脂及高溫?zé)Y(jié)二步，最終得到鑄造用陶瓷型殼或陶瓷零件。覆膜金屬粉〔CMP：對(duì)不銹鋼粉末經(jīng)過(guò)樹(shù)脂包覆制得，燒結(jié)件變形很小，尺寸穩(wěn)定。后處理工藝包括，脫脂及高溫?zé)Y(jié)處理，最終得到金屬零件或注塑、壓蠟用金屬模具。2-6STP12-7精鑄蠟粉燒結(jié)件該技術(shù)具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清理、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于原型及功能零件的制造。在成形過(guò)程中，激光工作參數(shù)以及粉末的特性和燒結(jié)氣氛是影響燒結(jié)成形質(zhì)量的重要參數(shù)。應(yīng)用實(shí)例SLSDTMSLS2023尼龍、金屬等各種材料。用該系統(tǒng)制造的鋼銅合金注塑模具，可注塑5萬(wàn)件工件。近年來(lái)基RPM開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)?；赗PM直接制模法是直接承受RPM技術(shù)制作模具，在RPM技術(shù)諸方法中能夠直接制作金屬模具的是SLS法。用這種方法制造的鋼制銅合金注射模，壽命可達(dá)5萬(wàn)件以上。但此法在燒結(jié)過(guò)程中材料發(fā)生較大收縮，精度難以把握。間接制模法可分為：軟質(zhì)簡(jiǎn)易模具的制作承受硅橡膠、金屬粉環(huán)氧樹(shù)脂粉和低熔點(diǎn)合金等將原型準(zhǔn)確復(fù)制成模具，或?qū)υ瓦M(jìn)展外表處理，用金屬噴涂法或物理蒸發(fā)沉積法鍍上一層熔點(diǎn)較低50～5000適合于產(chǎn)品試制階段的小批量生產(chǎn)。鋼質(zhì)模具的制作將RPM或者直接制造出復(fù)形精度較高的EDM電極，用于注塑模、鍛模、壓鑄等鋼制模具型腔的加工。一個(gè)中等大小、較為簡(jiǎn)潔的電極一般4～8h即可完成，復(fù)形精度完全滿足工程要求。福特汽車公司用此技術(shù)制造汽車模具取得了滿足的效果RP與周密鑄造結(jié)合的方法為汽車及汽車輪胎等行業(yè)生產(chǎn)進(jìn)口替代模具計(jì)80速模具制造的制作本錢(qián)及周期大大降低。我國(guó)每年需進(jìn)口模具達(dá)8億多美元，主要是簡(jiǎn)潔模SLS技術(shù)在將來(lái)的汽車模具制造業(yè)中的應(yīng)用前景格外寬闊。在汽車燈具制造上的應(yīng)用汽車燈具大多數(shù)的外形是不規(guī)章的,曲面簡(jiǎn)潔,模具制CADCAM了有利的參考。同時(shí),也可以通過(guò)快速成型技術(shù),用熔模鑄造的方法快速、高精度地制造出燈具模具。激光薄片疊層制造〔LOM〕技術(shù)工藝原理2-8LOM法工藝原理示意圖LOM技術(shù)是一種常用來(lái)制作模具的型快速成形技術(shù)。其原理是先用大功率激光束切割材料薄片，然后將多層薄片疊加，并使其外形漸漸發(fā)生變化，最終獲得所需原型的立體幾何外形。如圖2-8LOM法工藝原理示意圖CO2激光器放射的激光束經(jīng)反射鏡和聚焦鏡等組成的光路系統(tǒng)到達(dá)光學(xué)切割頭，激光束跟蹤零件的二維橫截面輪廓數(shù)據(jù)，進(jìn)展切割，并將輪廓外的廢紙余料切割出方形小格，以便成型過(guò)程完成后易于剝離余料。每切割完一個(gè)截面，工作臺(tái)連同被切割的輪廓自動(dòng)下降至確定高度，然后步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)收紙輥移到其次個(gè)需要切割的截面，重復(fù)下一次工作循環(huán)，直至形成由一層層橫截面粘疊的立體紙模樣。然后剝離廢紙小方塊，即可得到性能似硬木或塑料的“紙LOM1/2模、薄料模、級(jí)進(jìn)模等，經(jīng)濟(jì)效益也甚為顯著。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的使用。薄片疊層制造工藝的材料LOM工藝中的成型材料包括薄層材料、粘結(jié)劑和涂布工藝。薄層材料有紙、塑料薄膜、金屬箔等。目前LOM成型所用薄層材料多為紙材，而粘結(jié)劑一般為熱熔膠。紙材的選取，熱熔膠的配制及涂布工藝均要從保證最終成型零件的質(zhì)量動(dòng)身，同時(shí)考慮本錢(qián)。成型用紙LOM良好的抗?jié)裥?，保證原材料不會(huì)因時(shí)間長(zhǎng)而吸水。良好的浸潤(rùn)性。以保證良好的涂膠性能?？估瓘?qiáng)度，保證在加熱過(guò)程中不被拉斷。收縮小，保證加熱過(guò)程中不會(huì)因局部水分損失而導(dǎo)致變形。剝離性能好，防止剝離時(shí)發(fā)生破壞。易打磨，外表光滑。穩(wěn)定性好，成型零件可長(zhǎng)時(shí)間保存。熱熔膠EVA型熱熔膠的應(yīng)用最廣泛，占熱熔膠總量的80%。熱熔膠中還要添加其它特別的組分以滿足以下要求：良好的熱熔冷固性〔室溫下固化，70～100℃開(kāi)頭熔化。在反復(fù)的熔融-固化條件下呈現(xiàn)良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性。在熔融狀態(tài)下與紙具有良好的涂掛性和涂勻性。與紙具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。良好的廢料分別性能。涂布工藝涂布工藝包括涂布形式和涂布厚度。涂布形式指的是均勻式涂布還是非均勻涂布。均勻涂布承受狹縫式刮板進(jìn)展涂布，非均勻涂布有條紋式或顆粒式。涂布厚度指的是在紙上涂多厚的膠，選擇涂布厚度的原則是在保證牢靠粘結(jié)的狀況下，盡可能涂得薄，以削減變形、溢膠和措移。LOM2-92-9涂覆兩遍環(huán)氧樹(shù)脂后原形外表形態(tài)示意圖2-10拋光后原型外表的效果示意圖和耐熱性，改進(jìn)抗?jié)裥?，延長(zhǎng)原型壽命。外表涂覆的工藝過(guò)程如下：將剝離后的原型用砂紙輕輕打磨，按規(guī)定比例配制環(huán)氧樹(shù)脂〔TCC630/TCC115N=100：2，并混合均勻。在原型上涂刷一層混合后的材料，因材料粘度低，材料會(huì)很簡(jiǎn)潔浸入紙基原型1.2～1.5mm。再次涂覆以填充溝2-9。對(duì)已經(jīng)涂覆了堅(jiān)硬環(huán)氧樹(shù)脂的原型再次用砂紙打磨，打磨中留意確保原型的尺寸精度在要求的范圍內(nèi)。對(duì)原型外表進(jìn)展拋光，到達(dá)無(wú)劃痕的質(zhì)量后進(jìn)展透亮涂層的噴涂，以增加外表2-10。薄片疊層制造工藝在鑄造中的應(yīng)用實(shí)例某鑄鐵機(jī)床操作手柄，人工方式制作砂型鑄造用的木模格外費(fèi)時(shí)困難，而且不能保證精度。隨著CAD/CAM技術(shù)的進(jìn)展和普及，具有簡(jiǎn)潔曲面外形的手柄的設(shè)計(jì)直接在CAD/CAM軟件平臺(tái)上完成，借助LOM制造技術(shù)，可以直接由CAD模型高精度地快速制作砂型鑄造用木模，抑制了人工制作的局限和困難，極大地縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)的周期并提高了產(chǎn)品的精度2-11CADLOMb)2-11CADLOM手炳CAD造型 b〕手炳的LOM原型FDM--熔絲沉積成型法工藝原理2-12FDMFDM〔Fused DepositionManufacturin使用一個(gè)外觀格外像二維平面繪圖儀的裝置，只是筆頭被一個(gè)擠壓頭〔噴頭〕代替，它可擠壓出一束格外細(xì)的蠟狀塑料〔熱塑性〕X而工作臺(tái)則沿Y熔性材料的溫度始終高于固化溫度，而成型局部的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，2-12FDMFDM制造工藝的根本原理如圖2-12將實(shí)芯絲材原材料纏繞在供料輥上，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)棍子旋轉(zhuǎn)，輥?zhàn)雍徒z材之間的摩擦力使絲材向噴頭的方向送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套承受低摩擦材料制成以便絲材能順當(dāng)、準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔〔最大送料速度為1～25mm/，推舉速度為～8mm/。噴頭的前端有電阻絲式加熱器，在其作用下，絲材被加熱熔融〔熔模鑄造臘絲的熔融溫度為74℃，機(jī)加工臘絲的熔融溫度為9ABS塑料絲為27℃2-132-13雙噴頭FDM〔最高速度為380mm/s〕而變化，通常0.15～0.25mm。FDM工藝在原型制作時(shí)需要同時(shí)制作支撐，為了節(jié)約材料本錢(qián)和提高沉積效率，型的FDM設(shè)備承受了雙噴頭，2-13材料，一個(gè)噴頭用于沉積支撐材料。一般來(lái)說(shuō)，模型材料絲精細(xì)而且本錢(qián)高，沉積效率也較低。而支撐材料絲較粗且本錢(qián)低，沉積效率也較高。雙噴頭的優(yōu)點(diǎn)除了沉積過(guò)程中具有較高的沉積效率和降低制作本錢(qián)以外，還可以靈敏地選擇具有特別性能的支撐材料，以便于后處理過(guò)程中支撐材料的去除，如水溶材料，低于模型材料熔點(diǎn)的熱熔材料。FDM與其它成型方法相比，F(xiàn)DM有如下優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)潔，運(yùn)行安全，維護(hù)本錢(qián)低，可以使用無(wú)毒原材料。用臘成型的零件原型可以直接用于熔模鑄造。可以成型任意簡(jiǎn)潔程度的零件，常用于成型具有簡(jiǎn)潔內(nèi)腔、孔的零件。原材料在成型過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，制件的變形小。原材料利用率高，壽命長(zhǎng)。支撐去除簡(jiǎn)潔，無(wú)需化學(xué)清洗，分別簡(jiǎn)潔。固然，F(xiàn)DM成型件的外表有較明顯的條紋。沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱。需要設(shè)計(jì)和制作支撐構(gòu)造。需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)展掃描涂覆，成型時(shí)間較長(zhǎng)。原材料價(jià)格昂貴。FDMFDM技術(shù)的關(guān)鍵在于熱融噴頭，噴頭溫度的把握要求使材料擠出時(shí)既保持確定的外形又有良好的粘結(jié)性能。除了熱融噴頭外，成型材料的以下相關(guān)特性也是關(guān)鍵：材料的粘度。粘度低，流淌性好，阻力小，有助于材料的順當(dāng)擠出。整個(gè)系統(tǒng)的壽命。還可以削減材料擠出前后的溫差，從而削減熱應(yīng)力，提高原型精度。粘結(jié)性。粘結(jié)性打算了零件成型以后的強(qiáng)度。收縮率。成型材料的收縮率對(duì)壓力和溫度都不能太敏感，否則會(huì)產(chǎn)生制件變形、翹曲和開(kāi)裂，影響制件精度?？傊?，F(xiàn)DM工藝對(duì)成型材料的要求是熔融溫度低、粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小。成型材料主要有ABS及醫(yī)學(xué)專用ABSi、MABS絲等。另外，F(xiàn)DM工藝對(duì)支撐材料的要求是能夠承受確定的高溫〔100℃以下即可、與成型材料不浸潤(rùn)、具有水溶性或者酸溶性、具有較低的熔融溫度、流淌性要特別好。FDMFDM快速成型技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和制造中。目前，美國(guó)的Stratasys公司批量生產(chǎn)FDM工3DModeler。美國(guó)的Biomer2-14美國(guó)StratasysTITANDSPCDSPC〔DirectShellProductionCasting〕是美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)基于立體噴墨印刷技術(shù)的直接模殼鑄造技術(shù)SoligenIncDSPC工藝與迄今所描述的制殼工藝有本質(zhì)的不同，它允許在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)展零件設(shè)計(jì)直到澆注鑄件模擬。它直接利用CAD數(shù)據(jù)自動(dòng)制造陶瓷型殼，而無(wú)需模具和壓型，使熔模鑄造省DSCP將鑄造和計(jì)算機(jī)數(shù)控〔CNC〕的優(yōu)點(diǎn)綜合于金屬零件的制造工藝中。工藝原理DSCP主要由兩大局部組成，即型殼設(shè)計(jì)局部〔SDUShellDesignUnit〕和型殼制造局部SPUShellProductionUni。如圖2-15所示。SPU將所制零件的CAD模樣轉(zhuǎn)換為型殼的數(shù)字化模樣，顯示在屏幕上。當(dāng)確定好每個(gè)型殼上零件的數(shù)量、型殼壁厚以及收縮率、澆注系統(tǒng)等鑄造參數(shù)后，計(jì)算機(jī)就能很快顯示出所制鑄件型殼的幾何外形，并進(jìn)展鑄造工藝的模擬，然后將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給SPU，并把握其工作。SPUSPU活塞上。料箱上方有一個(gè)裝細(xì)陶瓷粉的料斗和一個(gè)可噴粉末的噴頭，還有一個(gè)墨水式噴射〔硅溶膠薄層，計(jì)算機(jī)依據(jù)SDU的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確把握料箱的上下移動(dòng)和印刷頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。印刷頭以光柵形式運(yùn)動(dòng)。當(dāng)印刷頭在料箱中的耐火材料粉末外表拂過(guò)時(shí)，按計(jì)算機(jī)指令會(huì)噴出粘結(jié)劑。有粘結(jié)劑區(qū)域的耐火材料粉末粘結(jié)在一起，形成型殼的一個(gè)截面，然后工作臺(tái)下降一個(gè)層的高度，噴頭再噴出一層粉末，這樣從底部開(kāi)頭，一層一層進(jìn)展，最終就制成了具有整體芯的型殼。未被粘結(jié)的耐火材料粉末可以對(duì)以后的粘結(jié)層起支撐作用。然后型殼經(jīng)焙燒，回收未粘結(jié)的粉末，就可以澆注金屬液了。1零件的造型.〔飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片〕 2設(shè)計(jì)澆冒口 3創(chuàng)立陶瓷形殼的數(shù)字模型4從陶瓷粉末中創(chuàng)立型殼薄層 5液態(tài)粘結(jié)劑噴鋪到粉末層 6噴鋪過(guò)程反復(fù)進(jìn)展至完成型殼7去除未粘結(jié)的粉末 8澆注金屬液2-15DSCP〔1-3SDU4-8SPU〕圖2-16 DSCP工藝生產(chǎn)的型殼及內(nèi)芯〔內(nèi)芯與型殼呈整體〕工藝應(yīng)用實(shí)例DSCP產(chǎn)品種單一的零件以及用于塑料模具和壓鑄模具。Soligen公司制造的DSCP30420mm×420mm×420mm，每層層厚0.05mm，層分割距離為0.05mm。制模速度為5735cm3/h。制模9～20h250～2500Soligen公司制造的DSCP設(shè)備一開(kāi)頭主要用來(lái)制作噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的零件原型和矯形植入件，以后又成功地生產(chǎn)出了鋁合金鑄件。以下為該公司生產(chǎn)的鋁合金鑄件實(shí)例。12-17356-T6鋁合金，內(nèi)腔具有簡(jiǎn)潔型芯。生產(chǎn)工藝為砂型鑄造。利用DSCP工藝，三個(gè)星期完成兩臺(tái)樣機(jī)的生產(chǎn)，六個(gè)星期實(shí)現(xiàn)600臺(tái)/月的批量生產(chǎn)規(guī)模。22-18〔GM〕的Restrictorplate賽車進(jìn)氣管。該件材質(zhì)為356-T6鋁合金，承受干砂型鑄造方法。用DSCP工藝兩個(gè)星期完成了樣機(jī)的鑄件生產(chǎn)、加工和裝100件/率。2-17水冷排氣總管2-18RestrictorplateFCP〔FreezeCastingProcess〕冷凍鑄造進(jìn)展背景冷凍鑄造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都尚處于起步階段，有資料報(bào)道的只有美國(guó)的DURAMAX1991〔FreezeCastingProcess〕的爭(zhēng)論，并申請(qǐng)了美國(guó)專利。另外，近些年有些爭(zhēng)論者將快速成型技術(shù)〔RP〕和冷凍鑄造技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成了快速冷凍工藝〔RapidFreezePrototyping〕并取得了確定的進(jìn)展，具有代表性的是美國(guó)的密蘇里大學(xué)和中國(guó)的清華大學(xué)，他們都分別設(shè)計(jì)了自己的RFP系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)展了爭(zhēng)論。RFP冰模的制作無(wú)論是熔模鑄造還是陶瓷型鑄造，必需首先制作與鑄件外形和尺寸相對(duì)應(yīng)的冰模。制〔類似臘模熔模鑄造中的壓型RFP。用模具制作冰模冰模對(duì)模具的要求和臘模對(duì)壓型的要求不同，水具有良好的流淌力氣，粘度低。所以〔水不能從構(gòu)造連接處滲漏脹，假設(shè)模具不具備確定的容讓性，冰?？赡茉谂蛎洃?yīng)力的作用下發(fā)生裂開(kāi)。因此，冰模用模具的型腔局部要用具有確定彈性的軟模材料。在制作軟模前，必需先要制造與鑄件形狀、尺寸完全對(duì)應(yīng)的原型，其材料可以是金屬、木材、塑料等。母模可以機(jī)械加工或快速將具有確定流淌性的材料澆入帶有原型的成形框中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的固化后就形成陰模。然后將陰模夾持緊，再把水注入模中冷凍就可形成冰模。這種制作模具的方法比制作臘模用壓型要簡(jiǎn)潔〔盡管需要先做原型。RFP〔快速冷凍原型〕制模用RFPFDM〔熔絲沉積〕類似，只是成形材料為水，并且要在冷凍環(huán)境下成形。首先在計(jì)算機(jī)中用RFP成形機(jī)可承受的軟件系統(tǒng)對(duì)冰模進(jìn)展三維造型RFP系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、把握系統(tǒng)和低溫成形室。由于水是一種粘度低、流淌性好的液體，為得到尺寸精度高、外表光滑的冰模，噴頭必需能夠噴射出足夠微小的水滴。所以噴頭的設(shè)計(jì)是冰成形的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，噴嘴的直徑及壓力打算液滴的大小，噴頭運(yùn)動(dòng)速度打算冰層厚度。影響成形質(zhì)量的工藝參數(shù)包括：噴射流量/掃描速度，成形材料，噴頭與成形面間的距離，成形環(huán)境溫度，設(shè)備及把握系統(tǒng)精度。造型或制殼材料冷凍冰?？梢杂糜谔沾尚秃腿勰ｈT造。相對(duì)于傳統(tǒng)的陶瓷型和熔模鑄造工藝，用冷凍冰模翻制鑄型的主要區(qū)分表達(dá)在一些工序必需在低溫環(huán)境中進(jìn)展。造型材料必需為適應(yīng)低溫環(huán)境作出相應(yīng)調(diào)整或重選擇。目前，較多的爭(zhēng)論集中在熔模鑄造中。以下以冷凍鑄造工藝用于熔模鑄造為例。粘結(jié)劑粘結(jié)劑與陶瓷粉末混合形成陶瓷漿料，使陶瓷漿料固化后具有足夠強(qiáng)度。用于低溫條件下熔模鑄造的粘結(jié)劑在零度以下必需不被凍結(jié)而且有良好的流淌性。另外，粘結(jié)劑不能在與冰模接觸時(shí)，與冰和水相互作用，相互滲透，制作的型殼必需具有好的外表光滑度和尺寸精度并且強(qiáng)度足夠高。有三種可供選擇的粘結(jié)劑：水玻璃、硅溶膠、硅酸乙酯。明顯，水玻璃和硅溶膠都不能滿足低溫環(huán)境的要求。只有硅酸乙酯能夠滿足作為熔模型殼粘結(jié)劑的要求。硅酸乙酯一般由四氯甲硅烷和乙醇直接反響制取，反響中鹽酸作為副產(chǎn)品。反響式如下：2 5 2 SiCl44CHOH(CHO)Si42 5 2 硅酸乙酯自身沒(méi)有粘結(jié)力氣,必需與水經(jīng)過(guò)水解反響膠。參與水解的水量必需足夠才能生成硅酸和乙醇，即硅酸在乙醇中的溶液。否則，會(huì)生成一種不完全水解產(chǎn)物—有機(jī)硅聚合物CHO〕SiO，這種水解液制造的型殼簡(jiǎn)潔產(chǎn)生25 3缺