模具設(shè)計(jì)與制造畢業(yè)論文.doc

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1、江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)）江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 論 文題目 模具快速成型技術(shù)學(xué)生姓名 張晨波院 系 機(jī)電工程系專 業(yè) 模具設(shè)計(jì)與制造級(jí) 別 模具057班指導(dǎo)教師 朱江峰江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院任務(wù)書姓名：張晨波專業(yè)：模具設(shè)計(jì)與制造級(jí)別：模具057題目：模具快速成型技術(shù)一、論文的主要內(nèi)容本論文主要闡述了快速成型技術(shù)的發(fā)展背景，技術(shù)原理和特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。從中詳細(xì)地介紹了幾種典型的快速成型技術(shù)，包括它的工藝原理、工藝過程、系統(tǒng)構(gòu)造及發(fā)展現(xiàn)狀。二、論文設(shè)計(jì)的目的和意義畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是教學(xué)計(jì)劃中的一個(gè)重要有機(jī)組成不分，是高等院培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生經(jīng)行綜

2、合的技術(shù)應(yīng)用能力訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、基本理論、專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能，聯(lián)系生產(chǎn)及科研實(shí)際完成某一項(xiàng)課題，全面檢驗(yàn)學(xué)生分析解決實(shí)際問題的能力。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作，使學(xué)生受到必要的綜合訓(xùn)練，在一定程度上提高學(xué)生的各種能力，如調(diào)查研究的能力、檢索與閱讀中外文獻(xiàn)的資料，經(jīng)行理論分析，制定總體方案能力，綜合分析和總結(jié)報(bào)告的能力等。是學(xué)生走向工作崗位的一次“實(shí)戰(zhàn)演習(xí)”。三、論文的要求1、學(xué)生應(yīng)在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，刻苦專研，實(shí)事求是，按時(shí)獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書雖規(guī)定的全部任務(wù)，不得弄虛作假或抄襲。2、在設(shè)計(jì)（論文）工程中，要認(rèn)真查閱資料和收集技術(shù)數(shù)據(jù)，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那髮W(xué)態(tài)度對(duì)待該項(xiàng)工作

3、；3、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要提供電子稿和紙制清樣（打印稿A4紙）。語言要簡練通順，圖紙（圖標(biāo)）要規(guī)范、整潔、無誤；四、論文的時(shí)間安排 1、起止時(shí)間：2007年11月上旬至12月下旬 2、論文提綱：11 月1日之前2、初稿時(shí)間：11月1日12月10日 3、二稿時(shí)間：12月10日12月20 4：定稿時(shí)間：12月21日12月30指導(dǎo)教師簽名摘 要分析和介紹了快速成型技術(shù)的原理和特點(diǎn)和快速成型技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。詳細(xì)地介紹了幾種典型快速成型技術(shù)的工藝原理、工藝過程及應(yīng)用范圍，指出快速成型技術(shù)的應(yīng)用并簡述了模具快速成型技術(shù)的一些特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍。關(guān)鍵詞 快速成型技術(shù) 原理 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢目錄摘 要III關(guān)鍵

4、詞III引言V第1章 快速成型技術(shù)的概論61.1快速成形技術(shù)產(chǎn)生的背景61.2我國RP研究工作起步時(shí)期61.3國內(nèi)RP開始商品化并推廣應(yīng)用6第2章 快速成型技術(shù)的內(nèi)涵及技術(shù)特點(diǎn)82.1 快速成型技術(shù)的內(nèi)涵82.2快速成形原理及特點(diǎn)82.3 快速成型技術(shù)的技術(shù)體系82.4 新舊兩種成型方法8第3章 快速成型制造的幾種典型工藝103.1 熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）103.2 疊層實(shí)體制成型（Laminated Object Manufacturing，LOM）123.3 立體光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA

5、）133.4 選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）17第4章 快速模具制造技術(shù)204.1 快速模具制造歷史背景204.2 快速模具的制造及應(yīng)用20結(jié)論24致謝25參考文獻(xiàn)26引言在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，6090的工業(yè)產(chǎn)品需要使用模具加工，模具工業(yè)已經(jīng)成為制造業(yè)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工業(yè)，是技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的手段，同時(shí)又是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域，在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家被成為“點(diǎn)鐵成金”的“磁力工業(yè)”。我國模具權(quán)威人士稱之為“模具是印鈔機(jī)”。可見模具工業(yè)在世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的顯著地位。 當(dāng)前，產(chǎn)品制造業(yè)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：1生產(chǎn)、經(jīng)營及市場全球化；2用戶需求個(gè)性化、多樣化

6、；3產(chǎn)品生命周期短，更新?lián)Q代加速；4產(chǎn)品技術(shù)高科技化；5市場競爭激烈化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國新產(chǎn)品的平均開發(fā)周期為18個(gè)月，產(chǎn)品的生命周期為10.5年。而美國1990年已實(shí)現(xiàn)“3個(gè)3”，即產(chǎn)品的生命周期為3年，產(chǎn)品的試制周期為3個(gè)月，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期為3周。因此，制造企業(yè)要想在21世紀(jì)求得生存和發(fā)展，就必須面對(duì)這一新的形勢，不斷研究或引進(jìn)新的技術(shù)。 過去，傳統(tǒng)的零件成型方法是采用多種機(jī)械加工機(jī)床，以及刀具和模具，還要有高水平的技工，成本高，制造周期往往長達(dá)幾星期，甚至幾個(gè)月，不能適應(yīng)新產(chǎn)品的更新。為克服上述問題，近幾年來開發(fā)成功了快速成型制造技術(shù)和相應(yīng)的快速成型機(jī)。它是利用激光等物理方法，向用戶提供物理

7、模型和快速修改設(shè)計(jì)方案，從而大大減少了新產(chǎn)品開發(fā)前期的時(shí)間和費(fèi)用?？焖俪尚图夹g(shù)不受零件幾何形狀的限制，能夠制造出常規(guī)加工技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀零件的建模。它能幫助設(shè)計(jì)者快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案并尋找出原設(shè)計(jì)方案的不足或疏漏之處，及時(shí)修改使之完善，節(jié)省了大量的試模時(shí)間；同時(shí)，它還能使生產(chǎn)銷售與用戶之間的距離縮短，這是因?yàn)榭焖俪尚图夹g(shù)能及時(shí)按用戶的要求建立產(chǎn)品模型，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品更直觀更具有可加工性和更能為客戶所接受，從而提升了企業(yè)的市場競爭能力。因此，快速成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、通訊、醫(yī)療、建筑、家電、玩具、家具、日用五金及工藝品制作等眾多領(lǐng)域。28第1章 快速成型技術(shù)的概論1.1快

8、速成形技術(shù)產(chǎn)生的背景快速原型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)，又稱快速成形技術(shù)，是當(dāng)今世界上飛速發(fā)展的制造技術(shù)之一?？焖俪尚渭夹g(shù)最早產(chǎn)生于二十世紀(jì)70年代末到80年代初，美國3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美國UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即用分層制造產(chǎn)生三維實(shí)體的思想。Charles W. Hull 在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為Stereolithography Apparatus(SLA)的完整系統(tǒng)SLA-1

9、，1986年該系統(tǒng)獲得專利，這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑。同年，Charles W. Hull和UVP的股東們一起建立了3D System公司。與此同時(shí)，其它的成形原理及相應(yīng)的成形系統(tǒng)也相繼開發(fā)成功。1984年Michael Feygin提出了薄材疊層（Laminated Object Manufacturing，以下簡稱LOM）的方法，并于1985年組建Helisys公司，1992年推出第一臺(tái)商業(yè)成形系統(tǒng)LOM-1015。1986年，美國Texas大學(xué)的研究生C. Deckard提出了選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)的思想，稍后組建了DTM公司，于

10、1992年開發(fā)了基于SLS的商業(yè)成形系統(tǒng)Sinterstation。Scott Crump在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)的思想，1992年開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型3D-Modeler。自從80年代中期SLA光成形技術(shù)發(fā)展以來到90年代后期，出現(xiàn)了幾十種不同的RP技術(shù)，除前述幾種外，典型的還有3DP等。但是，SLA、LOM、SLS和FDM四種技術(shù)，目前仍然是RP技術(shù)的主流。1.2我國RP研究工作起步時(shí)期快速原型是繼60年代NC技術(shù)之后制造領(lǐng)域的又一重大突破，是先進(jìn)制造技術(shù)群中的重要組成部分。它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、激光技術(shù)和材

11、料科學(xué)技術(shù)，在沒有傳統(tǒng)模具和夾具的情況下，快速制造出任意復(fù)雜形狀而又具有一定功能的三維實(shí)體模型或零件?？焖僭团c制造技術(shù)的推廣應(yīng)用將明顯縮短新產(chǎn)品的上市時(shí)間，節(jié)約新產(chǎn)品開發(fā)和模具制造的費(fèi)用。美國、日本及歐洲發(fā)達(dá)國家已將快速成形技術(shù)應(yīng)用于航空、宇航、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型（雕刻）、建筑模型、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域。而我國RP研究工作起步于90年代初。剛開始時(shí)技術(shù)引進(jìn)較多，1994年以來，我國已有20幾家企業(yè)或機(jī)構(gòu)從國外引進(jìn)RP機(jī)器，加快了企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)、取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但由于引進(jìn)價(jià)格昂貴，如美國3Dsystem公司生產(chǎn)的SLA250系統(tǒng)售價(jià)20萬美元，SLA500

12、價(jià)格高達(dá)40萬美元，加之材料也依靠進(jìn)口，使生產(chǎn)成本過高，往往是國內(nèi)企業(yè)無法承受的。1.3國內(nèi)RP開始商品化并推廣應(yīng)用為了解決中國制造業(yè)對(duì)RP的迫切需求，1991年以來，在中國政府資助和支持下，一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)積極開展RP研究，并取得較大的進(jìn)展。我國最早在快速成型技術(shù)方面開展工作的有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公司。這些單位早期在開發(fā)系統(tǒng)設(shè)備方面各有側(cè)重。1992年，清華大學(xué)引進(jìn)了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的SLA-250光固化成形設(shè)備，成立了激光快速成形中心,開展快速成形技術(shù)的研究。研制出世界上最大的LOM雙掃描成形機(jī)，已提供給國內(nèi)的汽車制造企業(yè)，研制成功的多功能快速造型

13、系統(tǒng)MRPMS已打入國際市場，自主開發(fā)的大型擠壓噴射成形RP設(shè)備SSM1600SSM成形尺寸已達(dá)1600 800 750mm3，也居世界之首。西安交通大學(xué)多年來一直致力于SLA的成型材料和設(shè)備的國產(chǎn)化，并因此獲2000年度國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。華中理工大學(xué)從1991年開始，在政府的支持下開始進(jìn)行RP技術(shù)研究，1994年開發(fā)成功LOM樣機(jī)，到1997年就向市場推出商品化的LOM成型設(shè)備。目前，該單位已對(duì)LOM設(shè)備進(jìn)行了系列化的開發(fā)，同時(shí)還成功地推出商品化的SLS設(shè)備。該校還利用復(fù)膜技術(shù)快速制造鑄模，翻制出了鋁合金模具和鑄鐵模塊。研究成果已經(jīng)商品化的還有北京隆源公司開發(fā)的AFS

14、 300激光快速成形機(jī)（SLS），該公司的RP服務(wù)中心已為工業(yè)企業(yè)單位制作了許多精密鑄模。此外，南京航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、華北工學(xué)院等在該領(lǐng)域也做了許多工作。例如在基于快速成形技術(shù)的快速制造模具方面，上海交通大學(xué)開發(fā)了具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計(jì)算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng)，為汽車行業(yè)制造了多種模具。目前，部分國產(chǎn)RP設(shè)備已接近或達(dá)到美國公司同類產(chǎn)品的水平，價(jià)格卻便宜得多，材料的價(jià)格更加便宜。我國已初步形成了RP設(shè)備和材料的制造體系。近年來，在國家科學(xué)技術(shù)部的支持下，我國已經(jīng)在深圳、天津、上海、西安、南京、重慶等地建立一批向企業(yè)提供快速成形技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu)，并開始起到了積極的作用，推動(dòng)了快速成形技

15、術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用，使我國RP技術(shù)的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場化的軌道，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)?？焖俪尚渭夹g(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的正在不斷完善的高新技術(shù)。隨著市場競爭的日趨激烈，該技術(shù)將會(huì)被越來越多的企業(yè)所采用，對(duì)企業(yè)的發(fā)展，發(fā)揮越來越重要的作用，并將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，快速成形技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù)，其本身的發(fā)展，也將推動(dòng)相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第2章 快速成型技術(shù)的內(nèi)涵及技術(shù)特點(diǎn)2.1 快速成型技術(shù)的內(nèi)涵與傳統(tǒng)的去除成形不同,快速成型技術(shù)是一種離散)堆積的成形過程。這種加工過程可分為前期數(shù)據(jù)處理(離散)和物理實(shí)現(xiàn)(堆積)，在離散過程中,將三維形體的CAD模型沿一定方向

16、分解,得到一系列截面數(shù)據(jù),再根據(jù)各自具體的工藝要求,獲得控制成形頭運(yùn)動(dòng)的軌跡;在堆積過程中,成形頭在運(yùn)動(dòng)軌跡的控制下,加工出層片,并將層片與層片堆積!連接,重復(fù)上述2個(gè)過程,加工出零件。2.2快速成形原理及特點(diǎn)快速成形技術(shù)(快速原型技術(shù)，RP技術(shù))是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)(SFF)、材料去除成形(MPR)材料增加成形(MAP)技術(shù)以及它們的集成。通俗地說，快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型?？焖俪尚图夹g(shù)有以下特點(diǎn)： 制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用； 原型的復(fù)制性、互換性高； 制造工藝與制造原型的

17、幾何形狀無關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時(shí)更顯優(yōu)； 加工周期短，成本低，成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無關(guān)，一般制造費(fèi)用降低50%，加工周期節(jié)約70%以上； 高度技術(shù)集成，可實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造一體化；2.3 快速成型技術(shù)的技術(shù)體系一個(gè)比較完整的快速成型技術(shù)的技術(shù)體系(見圖2-1)包含CAD造型、反求工程、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、原型制造以及物性轉(zhuǎn)換等基本環(huán)節(jié)。圖2-12.4 新舊兩種成型方法快速成型（Rapid Prototyping，簡稱RP）是80年代末期出現(xiàn)的一種高新技術(shù)。它以增材制造法一次成型復(fù)雜的零部件或模具，堪稱制造領(lǐng)域人類思維的一次飛躍，也被稱為自數(shù)控技術(shù)以來的又一次革命，尤其對(duì)模具工業(yè)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用?？焖俪?/p>

18、型是匯集了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等諸多工程領(lǐng)域的先進(jìn)成果，根據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型，對(duì)其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓。按照這些輪廓，激光束選擇地切割一層層的紙，形成各截面輪廓并逐步疊加成三維產(chǎn)品。解決了傳統(tǒng)加工方法中的許多問題，它的出現(xiàn)代表著生產(chǎn)工程的又一突破。快速成型制造技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工方法（部分去除大于工件的毛坯上的材料，而得到工件），采用全新的“增大”加工方法（用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件），將復(fù)雜的三維加工分解成簡單二維加工的組合。因此，它不必采用傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，只需傳統(tǒng)加工方法3050的工時(shí)和25

19、35的成本，就能直接制造產(chǎn)品樣品或模具。 圖2-2表示新舊兩種成型方法的流程圖。 a）傳統(tǒng)加工 b）快速成型圖2-2第3章 快速成型制造的幾種典型工藝3.1 熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）將CAD模型分為一層層極薄的截面，生成控制熔融堆積成型噴嘴移動(dòng)軌跡的二維幾何信息。加熱頭把熱熔性材料（ABS、尼龍、石蠟等材料）加熱到臨界半流動(dòng)狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)控制下，噴嘴頭沿CAD確定的二維幾何信息運(yùn)動(dòng)軌跡擠出半流動(dòng)的材料，沉積固化成精確的零件薄層，通過垂直升降系統(tǒng)降下新形成層，進(jìn)行固化。這樣層層堆積粘結(jié)，自下而上形成一個(gè)零件的三維實(shí)體。3.1.1工藝原理FDM工藝

20、稱為熔融沉積制造，這種方法不使用激光，而是用一種加熱的噴嘴，將材料一層層地堆積起來。其工藝過程是以熱塑性成型材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，由計(jì)算機(jī)控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在1/10s內(nèi)迅速凝固，形成一層材料。之后，擠壓頭沿軸向向上運(yùn)動(dòng)一微小距離進(jìn)行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。該工藝的特點(diǎn)是使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，一般復(fù)雜程度原型僅需幾個(gè)小時(shí)即可成型，且無污染?？捎糜谵k公室環(huán)境。其原理圖如圖3-1所示。圖3-1熔融堆積成型（FDM）原理示意圖3.1.2 系統(tǒng)

21、組成 機(jī)械系統(tǒng)EM-250 機(jī)械系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)、噴頭、成型室、材料室、控制室和電源室等單元。其機(jī)械系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)單元相互獨(dú)立。如運(yùn)動(dòng)單元只完成掃描和升降動(dòng)作，而且整機(jī)運(yùn)動(dòng)精度只決定于運(yùn)動(dòng)單元的精度，與其他單元無關(guān)。因此每個(gè)單元可以根據(jù)其功能需求采用不同的設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)單元和噴頭單元對(duì)精度要求較高，其部件的選用及零件的加工都要特別考慮。電源室和控制室需要具有防止干擾和抗干擾功能，應(yīng)采用屏蔽措施。基于PC總線的運(yùn)動(dòng)控制卡能實(shí)現(xiàn)直線、圓弧插補(bǔ)和多軸聯(lián)動(dòng)。PC總線的噴頭控制卡用于完成噴頭的出絲控制，具有超前和滯后動(dòng)作補(bǔ)償功能。噴頭控制卡與運(yùn)動(dòng)控制卡能夠協(xié)同工作，通過運(yùn)動(dòng)控制卡的協(xié)同信號(hào)控制噴頭的啟

22、停和轉(zhuǎn)向。制造系統(tǒng)配備了三套獨(dú)立的溫度控制器，分別檢測與控制成型噴嘴、支撐噴嘴和成型室的溫度。為了適應(yīng)對(duì)控制長時(shí)間連續(xù)工作下高可靠性的要求，整個(gè)控制系統(tǒng)采用了多微處理機(jī)二級(jí)分布式集散控制結(jié)構(gòu)，各個(gè)控制單元具有故障診斷和自修復(fù)功能，使故障的影響局部化。由于采用了PC總線和插板式結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有組態(tài)靈活、擴(kuò)展容量大、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。圖3-2該系統(tǒng)關(guān)鍵部件是噴頭，這里以上海富力奇公司推出的TSJ系列快速成型機(jī)（如圖3-2所示）為例介紹了一下噴頭的結(jié)構(gòu)。噴頭內(nèi)的螺桿與送絲機(jī)構(gòu)用可沿R方向旋轉(zhuǎn)的同一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)外部計(jì)算機(jī)發(fā)出指令后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿，同時(shí)，又通過同步齒形帶傳動(dòng)與送料輥將塑料絲

23、送入成型頭，在噴頭中，由于電熱棒的作用，絲料呈熔融狀態(tài)，并在螺桿的推擠下，通過銅質(zhì)噴嘴涂覆在工作臺(tái)上。 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括幾何建模和信息處理兩部分。幾何建模單元是由設(shè)計(jì)人員借助CAD 軟件，如 Pro-E、AutoCAD 等構(gòu)造產(chǎn)品的實(shí)體模型或由三維測量儀（ CT、MRI 等）獲取的數(shù)據(jù)重構(gòu)產(chǎn)品的實(shí)體模型。最后以 STL 格式輸出原型的幾何信息。信息處理單元由 STL 文件處理、工藝處理、數(shù)控、圖形顯示等模塊組成，分別完成 STL 文件錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與修復(fù)、層片文件生成、填充線計(jì)算、數(shù)控代碼生成和對(duì)成型機(jī)的控制。其中，工藝處理模塊根據(jù) STL 文件判斷制件成型過程中是否需要支撐，如需要?jiǎng)t進(jìn)行支

24、撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后對(duì) STL 分層處理。最后根據(jù)每一層的填充路徑設(shè)計(jì)與計(jì)算，并以 CLI 格式輸出產(chǎn)生分層 CLI 文件。信息系統(tǒng)是在 Pentinm 微機(jī)上用 VisualC +開發(fā)的，系統(tǒng)界面采用窗口、菜單、對(duì)話框等方式輸人輸出信息，使用十分方便。 供料系統(tǒng)MEM-250 制造系統(tǒng)要求成型材料及支撐材料為直徑 2mm的絲材，并且具有低的凝固收縮率、陡的粘度溫度曲線和一定的強(qiáng)度、硬度、柔韌性。一般的塑料、蠟等熱塑性材料經(jīng)適當(dāng)改性后都可以使用。目前已成功開發(fā)了多種顏色的精密鑄造用蠟絲、ABS 材料絲。3.2 疊層實(shí)體制成型（Laminated Object Manufacturing，LOM）它

25、是將單面涂有熱溶膠的箔材（涂覆紙涂有粘接劑覆層的紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔等）通過熱輥加熱粘接在一起，使激光束在片材平面內(nèi)沿確定軌跡掃描而形成平面模型。平面模型逐層堆疊在并在滾壓輥的滾壓下粘接逐步形成整體物理模型，去除廢料后即成型；廢料部分切成網(wǎng)絡(luò)是為了便于消除。3.2.1 工藝原理LOM工藝稱疊層實(shí)體制造或分層實(shí)體制造，其工藝過程是由加熱輥筒將薄形材料(如紙片，塑料薄膜，復(fù)合材料或金屬等)加熱聯(lián)結(jié)，待加熱輥筒自動(dòng)離開后，再由激光將薄形材料截切成層面要求形狀(二維切片)，如此重復(fù)一層層疊加生成任意復(fù)雜形狀的實(shí)體。該工藝工藝優(yōu)點(diǎn)是無須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐；激光束只是沿著物體的輪廓掃描，無需填充掃描，成型效

26、率高；成型件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形?。恢圃斐杀镜?。缺點(diǎn)是材料利用率低；表面質(zhì)量差；后處理難度大，尤其是中空零件的內(nèi)部殘余廢料不易去除；可以選擇的材料種類有限，目前常用的主要是紙；對(duì)環(huán)境有一定的污染。其原理圖如3-3所示。圖3-33.2.2 系統(tǒng)組成在此以新加坡Kinergy公司開發(fā)、生產(chǎn)的一種ZIPPY型薄形材料選擇性切割成型機(jī)為例對(duì) LOM 系統(tǒng)組成加以介紹。它由計(jì)算機(jī)、原材料存貯及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱粘壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng)、模型取出裝置和機(jī)架等組成?？刂葡到y(tǒng)與控制軟件：數(shù)控系統(tǒng)基本的控制對(duì)象為材料送進(jìn)（R軸）、熱壓輥移動(dòng)（ H 軸）、掃描與切割（X軸、Y軸）、工作臺(tái)（Z軸）、溫

27、度控制、激光能量控制等。這是一個(gè)兩級(jí)控制系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了上、下位機(jī)。第一級(jí)的下位機(jī)負(fù)責(zé)完成運(yùn)動(dòng)軸開閉環(huán)控制及信息反饋。這里實(shí)時(shí)切片厚度參數(shù)由智能模板CPU完成，并且由兩塊智能化控制模塊負(fù)責(zé)五軸伺服控制。第二級(jí)的上位機(jī)用于整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的集中管理，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)完成動(dòng)態(tài)仿真、適時(shí)切片、鍵盤管理、信息處理、參數(shù)設(shè)置與顯示，并向控制計(jì)算機(jī)發(fā)送切片數(shù)據(jù)及控制命令。在其計(jì)算機(jī)中配有如下控制軟件： STL 格式文件的糾錯(cuò)和修補(bǔ)軟件。它能標(biāo)識(shí)讀人 STL 格式文件中三角形的錯(cuò)誤，并由操作者加以修改。 三維模型的切片軟件。它能對(duì)三維模型的別 STL格式文件，沿成型的高度方向，每隔一定的間隔，自動(dòng)提取截面的輪廓

28、邊界的信息。 激光切割速度與切割功率的自動(dòng)匹配軟件。它能根據(jù)激光的瞬時(shí)切割速度自動(dòng)調(diào)節(jié)激光的輸出功率，以便在保證高切割質(zhì)量的前提下，有較高的生產(chǎn)率，使得在快速切割直線時(shí)有足夠的切割功率，能恰好切透一層材料切割畫弧時(shí)不會(huì)因切割功率過大而燒糊工件。 激光光束寬度（即切口寬度）的自動(dòng)補(bǔ)償軟件。它能自動(dòng)決速識(shí)別截面的內(nèi)、外輪廓的邊界，根據(jù)激光的光束寬度（0.10.2mm） ，控制切割頭，相對(duì)理論內(nèi)、外輪廓的邊界，自動(dòng)向內(nèi)或向外偏移半個(gè)光束寬度（0.050.1mm） ，從而保證實(shí)際切得的輪廓邊界與理論輪廓邊界相重合。3.3 立體光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA

29、）它是利用激光束在液態(tài)光敏樹脂內(nèi)沿確定的平面運(yùn)動(dòng)軌跡掃描，由點(diǎn)到線到面，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化完畢，升降工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)層片厚度的距離，在原先固化好的樹脂表面再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂以便進(jìn)行新一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件原型制造完畢。立體光固化成型是第一個(gè)投入工業(yè)應(yīng)用的快速成型技術(shù)，其特點(diǎn)是精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率將接近100，可以制造形狀特別的復(fù)雜（如空心零件）、外觀特別精細(xì)（如首飾、工藝品等）的零件。3.3.1 工藝原理SLA工藝也稱光造型或立體光刻其工藝過程是以液態(tài)光敏樹脂或丙稀酸樹脂為材料充滿

30、液槽，由計(jì)算機(jī)控制激光束跟蹤層狀截面軌跡并照射到液槽中的液體樹脂上而固化一層樹脂，之后升降臺(tái)下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進(jìn)行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體模型。其工作原理圖如圖3-4所示。圖3-4該工藝的特點(diǎn)是精度高，生產(chǎn)零件強(qiáng)度和硬度好，可制出形狀特別復(fù)雜的空心零件，生產(chǎn)的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法，缺點(diǎn)是清洗和養(yǎng)護(hù)等后處理工序較費(fèi)時(shí)。3.3.2 系統(tǒng)組成通常立體光固化成型系統(tǒng)由激光器、X-Y運(yùn)動(dòng)裝置或激光偏轉(zhuǎn)掃描器、光敏性液態(tài)聚合物、聚合物容器、控制軟件和

31、升降工作臺(tái)等部分組成。光學(xué)部分紫外激光器：激光器大多是紫外光式。一種是傳統(tǒng)的如氦鍋（He-Cd）激光器輸出功率為1550mw，輸出波長為325nm。而氫離子（Argon）激光器的輸出功率為100500mW，輸出波長為351365nm。這兩種激光器的輸出是連續(xù)的，壽命約為2000h。另一種是固體激光器，輸出功率可達(dá)500mW或更高，壽命可達(dá)5000h，且更換激光二極管（LaserDiode）后可繼續(xù)使用，相對(duì)氦鍋激光器而言更換激光二極管的費(fèi)用比更換氣體激光管的費(fèi)用要少得多。另外共形成的光斑模式好有利于聚焦，但由于固體激光器的輸出是脈沖的為了在高速掃描時(shí)不出現(xiàn)斷線現(xiàn)象必須盡量提高脈沖頻率。綜合而看

32、固體激光器是發(fā)展趨勢。一般激光束的光斑尺寸為0.053.00mm激光位置精度可達(dá)0.008mm，重復(fù)精度可達(dá)0.13mm。激光束掃描裝置：數(shù)控的激光束掃描裝置有兩種形式。一種是檢流計(jì)驅(qū)動(dòng)式的掃描鏡方式，最高掃描速度可達(dá)15m/s，它適合于制造尺寸較小的高精度原型件。另一種是X-Y繪圖儀方式，激光束在整個(gè)掃描過程中與樹脂表面垂直，這種方式能獲得高精度、大尺寸的樣件。樹脂容器系統(tǒng) 脂容器 盛裝液態(tài)樹脂的容器由不銹鋼制成，其尺寸大小取決于立體光固化成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大尺寸原型或零件通常為20200l。液態(tài)樹脂是能夠被紫外光感光固化的光敏性聚合物。 降工作臺(tái) 帶有許多小孔洞的可升降工作臺(tái)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)

33、動(dòng)下能沿高度Z方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。最小步距可達(dá)0.02mm以下，在225mm的工作范圍內(nèi)位置精度為0.05mm。 涂層裝置這一部分主要是使液態(tài)光敏樹脂能迅速、均勻地覆蓋在已固化層上面保持每一層片厚度的一致性從而提高原型的制造精度。由于光固化樹脂的表面張力，薄層樹脂的涂敷是一個(gè)比較困難的問題表現(xiàn)為大平面涂不滿、涂層不均和產(chǎn)生氣泡。新近推出的成型機(jī)采用吸附式涂層（Recoating）機(jī)構(gòu)（如圖3-5所示）圖3-5（吸附式涂層機(jī)構(gòu)）樹脂在表面張力的作用下，吸附槽中充滿樹脂。當(dāng)刮板進(jìn)行涂刮運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸附槽中的樹脂會(huì)涂到已固化的樹脂表面，同時(shí)樹脂會(huì)在槽中運(yùn)動(dòng)從未固化部分吸附樹脂并向已固化部分補(bǔ)充。設(shè)置適當(dāng)?shù)乃?/p>

34、度可使較大的區(qū)域得到涂敷。涂層機(jī)構(gòu)中的前刃和后刃可以很好地消除樹脂中產(chǎn)生的氣泡。智能涂層技術(shù)根據(jù)每一層的面積決定涂層方式，面積較小的僅采用刮涂方式。面積超過設(shè)定值時(shí)采用浸沒和刮涂相結(jié)合。所謂“浸沒”是讓已固化的原型在樹脂槽中下降一定距離讓槽中的樹脂充分漫過固化區(qū)域再上升到表面。數(shù)控系統(tǒng)和控制軟件：數(shù)控系統(tǒng)和控制軟件主要由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)以及CAD接口軟件和控制軟件組成。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)主要是對(duì)CAD模型進(jìn)行面化處理使之變成適合于立休印刷成型的文件格式（STL格式）然后對(duì)模型定向切片?？刂朴?jì)算機(jī)主要用于X-Y掃描系統(tǒng)、Z方向工作平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)和重涂層系統(tǒng)的控制。CAD接口軟件的功能包括確定

35、CAD數(shù)據(jù)模型的通信格式、接受CAD文件的曲面表示、設(shè)定過程參數(shù)等?？刂栖浖糜趯?duì)激光器光束反射鏡掃描驅(qū)動(dòng)器、X-Y掃描系統(tǒng)、升降工作臺(tái)和重涂層裝置等的控制。從CAD摸型到快速成型制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換路徑大多采用將摸型轉(zhuǎn)換為三角形表示的多面體然后再分層的方法應(yīng)注意ST文件的接口軟件與不同的數(shù)控系統(tǒng)提供的STL接口界面在性能上的差異。光敏聚合物的固化速率與單位面積激光功率供給量直接相關(guān)。為使固化均勻，要求控制系統(tǒng)保證恒功率掃描。控制系統(tǒng)的核心部件是激光束掃描器它由兩個(gè)檢流計(jì)驅(qū)動(dòng)的反射鏡來控制激光束進(jìn)行X及Y方向的掃描運(yùn)動(dòng)，達(dá)到很高的掃描速度（2502540mm/s）。由于激光束斜射造成的激光點(diǎn)尺寸

36、變化會(huì)極大地影響該點(diǎn)激光功率的分布即影響激光功率的單位供給量，為此需要一個(gè)微定位器控制的聚焦透鏡進(jìn)行變焦。聚焦透鏡的移動(dòng)控制必須與調(diào)節(jié)軸的檢流計(jì)保持同步，以使激光束焦點(diǎn)保持在樹脂液面上。透鏡對(duì)改變掃描線寬或填充大的區(qū)域也有重要作用。同時(shí)，需要調(diào)整掃描速度或激光功率，以補(bǔ)償變焦引起的功率密度變化。反射鏡偏轉(zhuǎn)角一個(gè)，因而掃描器應(yīng)采用閉環(huán)控制。激光束的控制開關(guān)必須保證在非加工動(dòng)作時(shí)遮斷光束，此時(shí)決門的速度影響著掃描跡線的精度。需要測量激光的功率以確定每層的掃描速度，還需要掌握樹脂的變形特點(diǎn)，以確定補(bǔ)償參數(shù)。3.3.3 工藝過程立體光固化成型工藝步驟包括模型設(shè)計(jì)、切片、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、生成模型和后固化等。在

37、實(shí)際操作中，無論在哪一步發(fā)現(xiàn)問題，都可以終止操作，返回上一步驟重新進(jìn)行。具體工藝如下：模型設(shè)計(jì)：體光固化成型工藝第一步是在三維CAD造型系統(tǒng)中完成原型的設(shè)計(jì)。所構(gòu)造的三維CAD圖形既可以是實(shí)體模型，也可以是表面模型，這些模型應(yīng)具有完整的壁厚和內(nèi)部描述功能。第二步是把CAD存儲(chǔ)的文件轉(zhuǎn)換成立體光固化成型所要求的標(biāo)準(zhǔn)文件（STL文件）格式，并以此作為切片計(jì)算機(jī)的輸入文件。模型切片和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：STL格式的文傳送到立體光固化成型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中。首先對(duì)STL模型文件進(jìn)行檢查和修復(fù)，并優(yōu)化選擇制作方向，以便能方便地構(gòu)造物體。由于成型過程中存在著液體樹脂固化成型時(shí)體積收縮而造成內(nèi)應(yīng)力，而且對(duì)模型中的

38、懸垂部分與底面需要添加制作基礎(chǔ)，這就需要合理的設(shè)計(jì)支撐，來保持原型在制作過程中的穩(wěn)定比和精確定位進(jìn)而保證原型的成功制作。支撐設(shè)計(jì)方法常用的有兩種，一是基于STL模型直接設(shè)計(jì)支撐，輸出支撐STL文件與零件STL模型合并后一起進(jìn)行分層處理；另一種是在分層截面輪廓上設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要在計(jì)算機(jī)上單獨(dú)生成。利用分層軟件選擇參數(shù)，將模型分層，得到每一薄片層的平面圖形及其有關(guān)的網(wǎng)格矢量數(shù)據(jù)，用于控制激光束的掃描軌跡。這一過程還包括切片層厚度的選擇、建造模式、固化深度、掃描速度、網(wǎng)格間距、線寬補(bǔ)償值和收縮補(bǔ)償因子的選擇，分層參數(shù)的選擇對(duì)造型時(shí)間和模型精度影響很大，常在二者之間經(jīng)過試驗(yàn)取得平衡。三

39、維實(shí)體建造：段是指光敏樹脂開始聚合、固化到一個(gè)原型完成的生成過程。SLA成型過程：開始時(shí)，可升降工作臺(tái)托板的上表面處于液面下一個(gè)截面層厚的高度（通常為0.1250.75mm)，該層液態(tài)光敏聚合物被激光束掃描而發(fā)生聚合固化，并形成所需第一層固態(tài)截面輪廓后。工作臺(tái)托板下降一層高度，液槽中的液態(tài)光敏聚合物流過已固化的截面輪廓層，刮刀按照設(shè)定的層高作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刮去多余的聚合物，再對(duì)新鋪上的這一層液態(tài)聚合物進(jìn)行掃描固化，形成第二層所需固態(tài)截面輪廓，新固化的一層能牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)制件成型完畢。后固化及處理過程當(dāng)原型在激光成型系統(tǒng)中生成后，控制升降工作臺(tái)托板從容器中升起，從工作臺(tái)上取出

40、模型并進(jìn)行清洗，之后進(jìn)行檢驗(yàn)及后處理。此時(shí)，原型中尚有部分未完全固化的樹脂，必須再用強(qiáng)紫外光照射，使之完全硬化。清洗過程中去除多余的液態(tài)樹脂，然后放在后固化裝置的轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行完全固化，以滿足所要求的機(jī)械性能。對(duì)于尺寸較大的原型，這是快速固化的有效手段。另外，原型是逐層硬化的，層與層之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階，必須去除。在造型結(jié)束后，原型的支撐也必須除去并進(jìn)行修整，對(duì)要求較高的原型還需進(jìn)行噴砂處理。3.3.4 趨勢現(xiàn)狀目前研究SLA方法的有3Dsystem公司、EOS公司、F&S公司、C-MET公司、D-MEC公司、TeijinSeiki公司、MitsniZosen公司、西安交通大學(xué)和中國科學(xué)院沈陽

41、自動(dòng)化所等。其中該技術(shù)的開拓者是美國3Dsystem公司，其制造系統(tǒng)統(tǒng)稱為stereolitho-graphyApparatus，簡稱SLA系統(tǒng)，該公司對(duì)如何提高制件精度及激光誘導(dǎo)光敏樹脂聚合的化學(xué)、物理過程進(jìn)行了深人的研究，并提出了一些有效的制造方法。其設(shè)各自1988年推出SLA-250機(jī)型以后，又于1997年推出SLA-250HR、SLA-3500、SLA-5000三種機(jī)型，1999年又推出了SLA-7000，隨后又推出了VipersSLA系統(tǒng)，在技術(shù)上有了長足進(jìn)步。其中SLA-3500和SLA-5000使用半導(dǎo)體激勵(lì)的固體激光器掃描速度分別達(dá)到2.54m/s-5m/s，成型層厚最小可達(dá)0

42、.025mm，掃描速度可達(dá)9.52m/s，成型空間可達(dá)508mmx508mmx600mm，成型質(zhì)量更好成型速度更快同時(shí)有效地減少后續(xù)處理時(shí)間。ViperSLA系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)成型和高梢度成型兩種成型方式標(biāo)準(zhǔn)成型方式可達(dá)到質(zhì)量與成型時(shí)間的平衡高梢度成型方式適合于細(xì)小零件的制作。這兩種模式的實(shí)現(xiàn)來源于一個(gè)獨(dú)特的數(shù)字處理器對(duì)激光聚焦掃描系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)特別適合制作垂直薄壁件的制作。該公司還采用了一種稱之為ZephyerRecoat-ingSystem的新技術(shù)，即在每一成型層上用一種箕舉吸附式刮板在該層上涂一層0.050.1mm的待固化樹脂，使成型時(shí)間平均縮短了20。此外，許多國家的公司、大學(xué)也開發(fā)了商

43、業(yè)制造系統(tǒng)并商用化如日本三菱商社下屬的C-MET公司研制的SOUP系統(tǒng)，日本三井造船公司的COIAMM系統(tǒng)，日本帝人精制公司的SOLIFORM系統(tǒng)杜邦公司開發(fā)了基于SLA技術(shù)的名叫SOMOS的技術(shù)，并向TeijinSeiki公司發(fā)放了在亞洲獨(dú)家使用其技術(shù)的許可證，然后1995年杜邦公司又向Aaroflex公司發(fā)放了在北美和其他一些有選擇的國家獨(dú)家使用其技術(shù)的許可證。其他一些公司LightSculping公司，SparxAB公司，Laser3D公司都開發(fā)井介紹了各自的RP系統(tǒng)，但在RP行業(yè)中都未產(chǎn)生任何大的商業(yè)方面的沖擊。國內(nèi)外研究者在SLA技術(shù)的成型機(jī)理、控制制件變形、提高制件精度等方面進(jìn)行了

44、大量研究日本帝人精制公司開發(fā)的SOllFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。使用光敏樹脂固化工藝進(jìn)行微型制造是另一個(gè)有意義的發(fā)展。日本KyushuInstituteofTechnoloy使用5um光斑的紫外光，定位精度達(dá)到1um；用消失模鑄造的方法生產(chǎn)出聚合物與金屬混合的零件，零件大小約為50um。SLA成型技術(shù)的材料主要有四大系列Ciba公司生產(chǎn)的CibatoolSL系列、杜邦公司的SOMOS系列、Zeneca公司的Stereocol系列和瑞典RPC公司的RPCure系列。CilatoolSL系列有以下新品種：用于SLA-350的CilatoolSL-5510，這種樹脂可以達(dá)到較高的

45、成型速度和較好的防潮性能，還有較好的成型精度；CilatoolSL-5210主要用于要求防熱、防濕的環(huán)境如水下作業(yè)條件。SOMOS系列也有新品種SOM0S8120。該材料的性能類似于聚乙烯和聚丙烯，特別適合于制作功能零件也有很好的防潮防水性能。日本方面打破了SLA技術(shù)使用紫外光源的常規(guī)，在日本化藥公司開發(fā)新型光敏樹脂的協(xié)作下由DenkenEngineering公司和AUTOSTRADE公司率先使用680nm左右波長的半導(dǎo)體激光器作為光源，大大降低了SLA設(shè)備的價(jià)格。特別是AUTOSTRADE公司的EDARTS機(jī)型，采用一種光源從下部隔著一層玻璃往土照射的約束液面型結(jié)構(gòu)，使得該設(shè)備價(jià)格降到了約人

46、民幣22萬元左右。在提高制品精度方面，DeMontfort大學(xué)發(fā)展了一種稱之為MeniscusSmoothing的技術(shù)，旨在降低制件表面粗糙度。Clemson大學(xué)開發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)工件造型平臺(tái)可消除分層造型中的臺(tái)階問題。國內(nèi)的西安交通大學(xué)推出了LPS、SPS和CPS系列SLA成型機(jī)和相應(yīng)的光敏樹脂，SPS的掃描速度最大可達(dá)7m/s、LPS的掃描速度可達(dá)2m/s，最大成型空間可達(dá)600mmx600mmx500mm。該產(chǎn)品的涂層系統(tǒng)針對(duì)不同材料與結(jié)構(gòu)可調(diào)整回流量從而有效地改善涂層質(zhì)量；采用了矢量掃描路徑優(yōu)化方法省去AOM降低了成本；采用的YLSF成型工藝，大大減小了翹曲等變形誤差，提高了原型件制作質(zhì)量

47、。另外CPS成型機(jī)采用了紫外燈作為成型光源設(shè)備價(jià)格低運(yùn)行費(fèi)用也極低（只有LPS機(jī)型的l/5），是一種經(jīng)濟(jì)型設(shè)備。另外西安交通大學(xué)在1996年提出了一種高效低成本的光固化快速成型方法。以紫外燈為廉價(jià)的光源利用一簇光纖將光引到掃描光條上。光纖在掃描光條上橫向排列，光條運(yùn)動(dòng)各條光纖上的光開關(guān)根據(jù)圖形掃描信息有序開斷，從而在光固化樹脂液面上掃描出一個(gè)固化層。掃描條每運(yùn)動(dòng)一次就可形成一個(gè)層面從而大大提高了成型效率。日本大阪Sangyo大學(xué)的YojiMarutani描述了一個(gè)新的立體光成型技術(shù)。它是將激光光束通過一個(gè)管子直接插人到光敏樹脂槽中，管子可在水平方向上自由運(yùn)動(dòng)。為了在光固化時(shí)防止樹脂流人管子而將

48、工件與管子枯到一起可在管子中充人空氣，控制氣壓在管口部形成氣泡將管子端口與工件分離開，激光通過管子中的透鏡聚焦在工件上進(jìn)行逐層加工。這種方法可以節(jié)省通常的光固化成型的再涂層裝置與工藝節(jié)約加工時(shí)間，提高加工效率。英國諾丁漢（Nottingham）大學(xué)的一個(gè)科研小組提出了一種對(duì)光固化成型表面修整的方法，可減小制件的表面粗糙度值。在掃描完一層后，托板上升一個(gè)層厚在層之間的臺(tái)階上還會(huì)吸附部分樹脂，由于表面張力的作用，吸附的這部分樹脂把臺(tái)階之間的空隙填充了起來再用激光照射使其固化就可以填補(bǔ)臺(tái)階，將零件表面光順起夾從而減小制件的表面粗糙度值?？傊?，目前立體印刷成型工藝穩(wěn)定，尺寸精度較高，可達(dá)0.2%。3.

49、4 選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）該技術(shù)以CO2激光器為能量源，通過紅外激光束使塑料、石蠟、陶瓷和金屬（或復(fù)合物）的粉末材料均勻地?zé)Y(jié)在加工面上。激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，通過掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維數(shù)據(jù)掃描。激光束掃描之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體分層，未掃描的地方仍然保持松散的粉末狀。根據(jù)物體截層厚度而升降工作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平臺(tái)，開始新一層的掃描。如此反復(fù)，直至掃描完所有層面。去除多余粉末，經(jīng)修磨、烘干等處理后獲得零件。表3.4-1列出四種快速成型方法的特點(diǎn)及常用材料。表3.4-1 四種快速成型方法的特點(diǎn)及常用材料成型

50、方法零件成型速度制造成本常用材料大小復(fù)雜程度精度熔融堆積成型中小件中等較低0.10.2mm較慢較低石蠟、塑料、低熔點(diǎn)金屬等疊層實(shí)體成型中大件簡單或中等較高0.020.2mm快低紙、金屬箔、塑料薄膜等立體光固化成型中小件中等較高0.020.2mm較快較高熱固性光敏樹脂等選擇性激光燒結(jié)成型中小件復(fù)雜較低0.10.2mm較慢較低石蠟、塑料、金屬、陶瓷等粉末3.4.1 工藝原理SLS工藝稱為選擇性激光燒結(jié)，其工藝過程是以金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成型材料，利用滾筒層層鋪粉，激光器發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)控制下，對(duì)每層材料粉末進(jìn)行掃描，使之熔化燒結(jié)成型，當(dāng)一層粉末燒結(jié)完成后，滾筒上升一層，在燒結(jié)層

51、上灑上新的一層粉末，供下一次燒結(jié)，直至完成零件的成型。該工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件。造型精度高，原型強(qiáng)度高，所以可用樣件進(jìn)行功能試驗(yàn)或裝配模擬，特別是可以制造金屬零件，這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐，因?yàn)槲礋Y(jié)的粉末起到了支撐的作用。其工藝原理圖如圖3-6所示。圖3-6（選擇性激光燒結(jié)工藝原理圖）3.4.2 系統(tǒng)組成系統(tǒng)整體構(gòu)成,如圖3-7示。激光掃描系統(tǒng)是通過2D工作臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的?？紤]到工作臺(tái)在X-Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)精度要求為0.02mm，以及運(yùn)動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確性，故采用鋼絲繩驅(qū)動(dòng)來消除傳動(dòng)時(shí)的間隙。圖3-7 系統(tǒng)整體構(gòu)成1.掃描工作臺(tái)

52、2.鋪粉裝置3.工作缸體4.驅(qū)動(dòng)齒輪5.驅(qū)動(dòng)電機(jī)6.激光光路系統(tǒng)7.CO2激光器8.控制計(jì)算機(jī)9.激光電源2D鋼絲繩驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用以驅(qū)動(dòng)2維掃描系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)選用55BF009型，其步距角為0.9/步。在2D掃描系統(tǒng)中要求X-Y方向的靈敏度、定位精度高，并要求牽引力小、移動(dòng)輕便，為此選擇高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，重復(fù)定位誤差為0.10.2m；摩擦系數(shù)為0.0250.005，實(shí)現(xiàn)分形路徑掃描，完成零件片層的燒結(jié)。特點(diǎn)：選擇性激光燒結(jié) (SLS) 突出的優(yōu)點(diǎn)在于它是以粉末作為成形材料，所使用的成型材料十分廣泛，從理論上來說，任何被激光加熱后能夠在粉粒間形成原子間連接的粉末材料都可以

53、作為SLS的成形材料。目前，在SLS系統(tǒng)上已經(jīng)成功的用石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料進(jìn)行了燒結(jié)。由于SLS成形材料品種多、用料節(jié)省、成形件性能分布廣泛，適合多種用途，所以SLS的應(yīng)用越來越廣泛。3.4.3 工藝過程其工藝過程主要由兩個(gè)過程組成： 信息過程離散處理。在計(jì)算機(jī)上建模的CAD三維立體造型零件，或通過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。或者直接從CAD文件進(jìn)行切片。這些離散的片層按次序累積起來仍是所設(shè)計(jì)的零件實(shí)體形狀。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

54、計(jì)算機(jī)信息的控制下逐層進(jìn)行掃描燒結(jié)。 物理過程疊加成型。成型系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是在一個(gè)封閉的成型室中安裝兩個(gè)缸體活塞機(jī)構(gòu)，一個(gè)用于供粉，另一個(gè)用于成型。成型過程開始前，用紅外線板將粉末材料加熱至恰好低于燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度。成型開始時(shí)，供粉缸內(nèi)活塞上移一給定量，鋪粉滾筒將粉料均勻地鋪在成型缸加工表面上，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下以給定的速度和能量對(duì)第一層信息進(jìn)行掃描。激光束掃過之處粉末被燒結(jié)固化為給定厚度的片層，未燒結(jié)的粉末被用來作為支撐，這樣零件的第一層便制作出來。這時(shí)，成型缸活塞下移一給定量，供料虹活塞上移，鋪粉滾簡再次鋪粉，激光束再按第二層信息進(jìn)行掃描，所形成的第二片層同時(shí)也被燒結(jié)固化在第一層上，如

55、此逐層疊加，一個(gè)三維實(shí)體零件就制作出來了。這種工藝與立休印刷成型（SLA）基本相同，只是將SLA的液態(tài)樹脂換成在激光照射下可以燒結(jié)的粉末材料，并由個(gè)溫度控制單元優(yōu)化的輥?zhàn)愉伷讲牧弦员ＷC粉末的流動(dòng)性，同時(shí)控制工作腔熱量使粉末牢固粘結(jié)。第4章 快速模具制造技術(shù)4.1 快速模具制造歷史背景制造業(yè)的歷史可追溯到幾百萬年前的舊石器時(shí)代。猿進(jìn)化成人的一個(gè)重要的標(biāo)志就是工具的制造?？梢?，工具的制造對(duì)人類的影響是極其巨大的。從某種程度上說，工具的先進(jìn)水平?jīng)Q定著生產(chǎn)力的高低。社會(huì)的發(fā)展與變革，是伴隨著勞動(dòng)工具的發(fā)展與變革。制造業(yè)是任何一個(gè)發(fā)達(dá)國家的基礎(chǔ)工業(yè)，是一個(gè)國家綜合國力的重要體現(xiàn)。而在制造業(yè)中，模具工業(yè)又

56、是制造業(yè)的基礎(chǔ)，得到了各個(gè)國家的高度重視。尤其在今天以知識(shí)為驅(qū)動(dòng)的全球化經(jīng)濟(jì)浪潮中，由于激烈的市場競爭，模具工業(yè)的內(nèi)涵、深度和廣度都發(fā)生著深刻的變化，各種新的模具設(shè)計(jì)、制造加工方法不斷出現(xiàn)，推動(dòng)著我們的社會(huì)不斷的向前發(fā)展。而快速模具制造（Rapid Tool）正是以其突出的優(yōu)點(diǎn)，切中了傳統(tǒng)模具制造方法與市場要求的矛盾，獲得了巨大的發(fā)展，顯示了頑強(qiáng)的生命力和美好前景?？焖倌＞咧圃毂尘翱焖倌＞咧圃熘缘玫搅烁鲊叨鹊闹匾?，應(yīng)用也越來越廣，主要有兩個(gè)背景：一是市場需求提供了動(dòng)力；二是技術(shù)的進(jìn)步。 市場背景今天的企業(yè)，它所面對(duì)的市場已不再局限于國內(nèi)的市場，而是面對(duì)一個(gè)全球化的市場，任何企業(yè)都在全球范

57、圍內(nèi)尋求資源的最佳配置，以降低成本，從而在激烈的市場競爭中贏得自己的優(yōu)勢，才能生存下去。那么，今天的市場競爭有何特點(diǎn)呢？一個(gè)最明顯的特征就是產(chǎn)品更新的速度大大的加快，產(chǎn)品的生命周期越來越短，產(chǎn)品的個(gè)性化越來越明顯。這就對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期提出了更高的要求。二是世界網(wǎng)絡(luò)化，競爭全球化。同一種產(chǎn)品，消費(fèi)者往往面臨著多種的選擇，選擇的范圍擴(kuò)展到了全球。在今天，你即使沒走出家門，但你可能正消費(fèi)著世界各地的產(chǎn)品和服務(wù)。 技術(shù)背景各種技術(shù)的不斷進(jìn)步，深刻的改變著人們的生活方式和思維方式。尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的巨大進(jìn)步，大大的加速了社會(huì)前進(jìn)的步伐。同樣，計(jì)算機(jī)技術(shù)也為模具工業(yè)帶來了革命性的變化，而且這場革命還

58、在不斷的加速發(fā)展。快速模具制造技術(shù)正是有了計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)以及新材料技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，才得以不斷的進(jìn)步。由此可見，今天的技術(shù)與市場不是分離的，而是緊密相聯(lián)的。所以，我們?cè)谶M(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與研究時(shí)，必須緊扣市場，以市場需求為導(dǎo)向，讓技術(shù)服務(wù)于市場，服務(wù)于我們的社會(huì)。4.2 快速模具的制造及應(yīng)用快速模具制造特點(diǎn)及現(xiàn)狀雖然快速成形技術(shù)問世不久，由于它本身巨大的優(yōu)勢，給制造業(yè)帶來了巨大的效益，應(yīng)用日益廣泛。最先進(jìn)的發(fā)達(dá)國家如美國，英國，德國和日本等，都非常重視快速成形技術(shù)的研究與應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，尤其在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、汽車和航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模具制造，采用去除式加工方

59、法部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件一種先進(jìn)模具制造方法?？焖俪尚问且环N新工藝，它是利用工件的CAD三維模型，快速制作工件的實(shí)體模型，而快速模具制造技術(shù)顛覆了我們傳統(tǒng)的模具制造概念，是模具工業(yè)的一場革命?？焖倌＞咧圃旒夹g(shù)是以快速成形（Rapid Prototying&Manufacturing，簡稱RP&M）技術(shù)為支撐技術(shù)的不用任何附加的傳統(tǒng)模具或機(jī)加工。4.2.1 快速模具的制造快速模具制造正是以快速成形技術(shù)提供的模型，不是用傳統(tǒng)的去除加工方法，而是用添加式方法，快速制造模具的一種新工藝。在模具制造業(yè)，利用快速成形技術(shù)制得的快速原型，結(jié)合硅膠模、金屬冷噴涂、精密鑄造、電鑄、離心鑄造等方

60、法生產(chǎn)模具；快速成形件也可以直接或間接制得EDM電極，用于電火花加生產(chǎn)模具；快速成形技術(shù)制得的快速原型也可以直接作為模具。目前，快速模具制造主要有一下幾種方法：快速軟模制造；鋁填充環(huán)氧樹脂模；SLS直接燒結(jié)低碳鋼滲銅模；低熔點(diǎn)金屬模；三維打印滲銅模；電鑄鎳殼陶瓷背襯模；直接金屬噴鍍模；直接金屬激光液相燒結(jié)模；氣相沉積鎳殼背襯模等。下面以軟模的制造工藝作具體的介紹 制作母模：母模呈最終工件正形，一般用快速成形方法制作； 制作澆注模：先在母模上，沿選定的分型面，粘貼一圈彩色膠帶紙，并用膠帶紙覆蓋母模上無用的孔，用蘸有異丙醇的軟濕布將母模與澆道芯模擦拭干凈，然后用強(qiáng)力膠將澆道芯粘結(jié)于母模上，再制作框

61、架； 稱量所需的液態(tài)硅橡膠與固化劑； 用真空澆注機(jī)內(nèi)部或外部的混合器，使之混合； 排除真空澆注機(jī)中的混合物中的空氣；將混合液注入澆注模中； 在真空澆注機(jī)中，用約15分鐘排除澆注件中的氣體； 將澆注模放入低溫固化烘箱中，進(jìn)行固化； 取出后，拆除澆注框，去毛邊，并割開，取出母模和澆道芯； 使上下模對(duì)準(zhǔn)，并用裝訂針將它們相互定位。它具有以下特點(diǎn)： 模具的生產(chǎn)周期大大縮短，降低了成本。市場競爭愈來愈激烈，新產(chǎn)品推陳出新的速度越來越快，例如，十年前開發(fā)一輛新汽車的時(shí)間大約為60個(gè)月，而現(xiàn)在縮短到不到18個(gè)月。原來產(chǎn)品的開發(fā)周期用“年”作單位來表述，而現(xiàn)在長的用“月”，稍長一點(diǎn)用“周”，甚至許多模具的開發(fā)

62、周期用“天”來描述。由此可見，這對(duì)傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法的確構(gòu)成了挑戰(zhàn)。而要解決這一問題，快速成形制造技術(shù)和快速模具制造技術(shù)為這一問題的有效解決提供了希望。這也正是這一技術(shù)被給予厚望的重要原因。由于以快速成形技術(shù)為基礎(chǔ)的快速模具制造技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的“去除”方式的模具制造方法，直接由三維CAD產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品，省去了許多繁瑣的加工過程，大大的縮短了模具制造周期。例如，利用硅橡膠的軟模技術(shù)，一個(gè)產(chǎn)品由 CAD三維模型到一套軟模的制成，需要的時(shí)間不到一周?；剡^頭來，考察一下今天的手機(jī)市場，對(duì)于產(chǎn)品銷售周期不到半年的新產(chǎn)品來說，具有更重要的意義。 更適合于形狀復(fù)雜的、不規(guī)則零件的加工及模具制造。對(duì)于一些復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，即使在今天，數(shù)控加工、電火花等各種新的加工方法不斷出現(xiàn)，但對(duì)于某些復(fù)雜的產(chǎn)品，仍然無能為力。而快速成形方法，任意復(fù)雜的形狀對(duì)它來說不是難度。因?yàn)?，它的基本的思想類似于微積分，是從微小的層入手，逐漸累加而成。在現(xiàn)實(shí)的客觀世界，任何復(fù)雜的三維物體，都可以看成由無限多的二維平面疊加而成。傳統(tǒng)的制造方法，是從一個(gè)比我們所需要的產(chǎn)品體積大的毛坯，不斷的去除多余的材料，逐漸接近產(chǎn)品的過程。正是這又一突出的特點(diǎn)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，減少了因加工工藝對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的限制，更有利于充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的想象力和創(chuàng)造力，為社會(huì)提供更豐富的產(chǎn)品。 模具的強(qiáng)度不高，模具的壽