快速成型技术毕业设计论文.doc
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1、中北大学2008届毕业论文1 引言1.1 快速成型技术简述快速原型制造(Rapid Prototyping,简称RP)技术,又称快速成型技术,是20世纪80年代后期首先在美国产生并商品化,90年代在全球迅速发展起来的制造新技术。快速成型技术与50年代的数控技术和最近20年发展起来的特种加工技术一样是一种全新的制造技术,是制造领域的又一重大突破,是先进制造技术群中的重要组成部分。它是一种基于离散堆积成型的数字化制造技术,集激光技术、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控技术(CNC)、精密检测技术、精密机械、精密伺服驱动和新材料技术等先进技术于一体的综合高新技术。它能根据
2、CAD模型(电子模型)自动、直接、快速、精确地将设计思想物转化为具有一定功能的原型或直接制造零件,在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件,解决了从设计到制造的快速对接问题,从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验,有效地缩短了产品的研发周期,满足了当今竞争日益激烈的市场对新产品快速开发和快速制造的要求12。与此同时,经济全球化趋势正不断加强,各个领域的技术交流、经贸交流日益扩大,世界上发生的这些进步、变革与发展使当代制造业的生态环境、产业结构与发展模式等都发生了深刻变化,科学发展观对制造业提出了新的要求,我国制造业正面临着新的发展机遇与挑战。当前,制造业呈现如下发展趋势3:1)
3、生产、经营及市场全球化;2)顾客需求个性化、多样化;3)产品生命周期缩短,更新换代加速化;4)产品高科技化;5)市场竞争激烈化。因此,制造企业要想在21世纪求得生存和发展,就必须面对这一新的形势,不断研究或融合新的技术,并采取灵活多变的管理策略,适时向市场推出满足顾客需求的新产品、产品创新技术成为提高企业竞争力的关键。1.1.1 快速成型技术的产生背景快速成型技术的诞生主要有两方面的原因:1)市场拉动市场全球化和用户需求个性化为先进制造技术提出了新的要求4。随着市场一体化的发展,市场竞争越来越激烈,产品的开发速度成为竞争的主要矛盾。同时用户需求多样化的趋势日益明显,因此要求产品制造技术有较强的
4、灵活性,在不增加成本的前提下能够以小批量生产甚至单件生产产品。2)技术推动新技术的发展为快速成型技术的产生奠定了技术基础。信息技术、计算机技术的发展、CAD/CAM技术的发展、材料科学的发展、新材料的出现、激光技术的发展为快速成型技术的产生和发展奠定了技术基础。快速成型技术就是在这样的社会背景下,在80年代后期产生于美国,并迅速扩展到欧洲和日本。由于RP技术的成型原理突破了传统加工中的塑性成形(如锻、冲、拉伸、铸、注塑加工等)和切削成形的工艺方法,可以在没有工装夹具或模具的条件下,迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体原型或零件,因此被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破5。1.
5、1.2 快速成型技术的基本原理与优势快速成型技术是一种将原型(或零件、部件)的几何形状、结构和所选材料的组合信息建立数字化描述模型,之后把这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统进行材料的“添加”加工6,通过逐点、逐线、逐面进行材料的三维堆砌成型,再经过必要的处理,使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求,实现快速、准确地制造原型或实际零件、部件的现代化方法。快速成型技术的优势7:1)响应速度快。与传统的加工技术相比,RP技术实现了CAD模型直接驱动,成型时间短。从产品CAD或从实体反求而获得数据到制成原型,一般只需要几小时至几十个小时,速度比传统成型加工方法快得多。这项技术尤其适于新产品的
6、开发,适合小批量、复杂(如凹槽、凸肩和空心、嵌套等)、异形产品的直接生产而不受产品形状复杂程度的限制。还改善了设计过程中的人机交流,使产品设计和模具生产并行,从而缩短了产品设计、开发的周期,加快了产品更新换代的速度,大大地降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。2)加工柔性高。RP技术将复杂的三维加工技术分解成简单的二维加工的组合,制造工艺大大简化。因此,从理论上讲RP技术可以制造任意复杂形状的原型产品。从这个角度来讲,RP技术属于自由成型制造。其含义有两点,一是指可以根据原型或零件的形状,无需使用工具、模具而自由的成型;二是指不受形状复杂程度的限制,能够制造任意复杂形状与结构、不同材料
7、复合的原型或零件。3)节能、环保、绿色制造。RP技术属于环保型技术,能源和原材料的利用率高,从理论上讲,原料利用率可达100%,而且产生的噪音小,环境污染少。1.1.3 快速成型技术分类RP技术的具体工艺不下30余种。根据其应用情况和商品化程度,最为典型的快速成型技术有以下四种。1)光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,SLA)光固化成型的原理是:将激光聚焦到液态光固化材料(如光固化树脂)表面、令其有规律地固化,由点到线到面完成一个层面的建造,而后升降平台移动一个层片厚度的距离,重新覆盖一层液态材料,再建造一个层面,由此层层叠加成为一个三维实体。2)分层实体制造
8、(Laminated Object Manufacturing,LOM)该技术采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线,而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片粘结在一起。这样层层叠加后得到一个块状物,最后将不属于原型的材料小块剥除,就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸(涂有粘结剂覆层的纸),涂覆陶瓷箔、金属箔或其它材质基的箔材。3)选区激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)此技术采用激光对有很好密实度和平整度的粉末铺成的层面,有选择地直接或间接将粉末熔化或粘结,
9、形成一个层面,铺粉压实,再熔结或粘结成另一层并与前一层熔接或粘结,如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结是将粉末直接熔化面连接;间接熔结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层,以达到互相粘结的目的。粘结则是指将粉末采用粘结剂粘结。这里的粉末材料主要有蜡、聚碳酸脂、水洗砂等非金属粉,以及金属粉如铁、钴、铬以及它们的合金。4)熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling,FDM)FDM是指将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)通过加热器熔化,挤压喷出并堆积一个层面,然后将第二个层面用同样的方法建造出来,并与第一个层面粘结在一起,如此层层堆积而获得一个三维实体。1.1.4 快速成型技术的应用概
10、况根据不同的应用场合和需求,快速成型技术主要有4种层次的应用:1)用于概念设计的原型。这种原型对精度和物理化学特性要求不高,主要要求成型速度快、精度适中、设备小巧、运行可靠、清洁、无噪音、操作方便。2)用于功能测试的原型。此原型对强度、刚度、耐温性、抗腐蚀性有一定的要求,以满足测试要求;如果用于装配测试,则对材料成型的精度还有一定要求。3)用于制造模具或其原型。模具原型要求材料适应特定模具的制造要求,如对于消失模铸造用原型,要求材料易于去除。4)用于制造功能零件8-16。功能零件则要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从RP技术的发展历程来看,最初主要应用于原型制造,随着研究的深入,现在很多研
11、究者都致力于研究快速制造金属零件。国际统计资料表明,原型中的四分之一被用来作为可视化的手段,用于评估设计、协助设计模具、沟通设计者与制造商及工程投标;四分之一被用来进行装配和性能测试;四分之一以上用于协助完成模具制造。目前,快速成型技术在模具、家用电器、汽车、航空航天、军工制造、材料工程、玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、医疗器械、人体器官模型、生物材料组织、考古、电影制作等领域都得到了广泛的应用。快速成型技术是目前先进制造技术中发展最为迅速的一种,在短短一、二十年的时间里,已经由最初的原理研究发展到大规模实际生产应用。目前已有10多种比较成熟的工艺方法用于原型零件的制造。RP技术在产品开发
12、中的关键作用和重要意义在实际应用中得到了很好的印证,不受形状或结构复杂程度的限制,可以迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原型,可对设计的正确性、造型合理性、可装配性和干涉,进行具体的检验17。1.2 选择性激光烧结快速成型技术1.2.1 选择性激光烧结技术特征选区激光烧结技术造型速度快,一般制品仅需12天即可完成。与其它RP技术相比,SLS最显著的特征是18:1)材料适用范围广。从原理上说,这种方法可采用任何能与激光相互作用的粉末材料,通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型,适应不同的需要。2)加工柔性高,有自然支撑。选区激光烧结技术可以直接制造任意复杂形状的原
13、型、型模三维构件或部件及工具,能广泛适应设计和变化等。3)运行成本较低,材料重复利用率高,未烧结粉末可重复使用。1.2.2 选择性激光烧结工艺过程SLS工艺的基本思想是基于离散堆积成型的制造方式,实现从三维CAD模型到实体零件的转变。如图1.2所示,利用SLS工艺制造实体零件的基本过程包括CAD模型的建立及分层处理、烧结过程以及后处理等部分19。图1.1SLS工艺制造实体零件的基本过程1)CAD模型的建立及分层处理这一阶段的作用是在计算机上实现零件模型的三维造型和数据处理过程。对于一个给定的零件,首先要建立被加工零件的三维实体模型;经过CAD软件的STL文件格式的输出,然后利用分层软件对零件的
14、CAD模型进行分层切片,把三维实体分解成一系列二维平面的薄片,每一薄片称为一个切片,每个切片具有一定的厚度,并包含二维轮廓信息;再用扫描轨迹生成软件将切片的轮廓信息转化成激光的扫描轨迹信息。2)烧结过程这一阶段是实现零件的层面制造、堆积成型的过程。每一层烧结开始前,工作缸先下降一个层厚的高度,而供料缸则上升一个层厚的高度。粉末材料由供料缸顶起,辊筒水平铺粉,由于辊筒与粉末之间的摩擦力以及粉末与粉末之间的作用,粉末被推送到成型缸。辊筒水平运动的同时,还伴有滚轮的一个逆向转动,在成型缸内将粉末材料压实、铺平。预热之后,在控制系统的控制下,激光束以一定的扫描速度和功率在铺好的粉层上扫描,被激光扫描过
15、的区域内,粉末烧结成具有一定厚度的实体结构,未扫过的地方仍然是松散的粉末,这样得到零件的第一层。当一层截面烧结完成后,供粉活塞上移一定距离,成型活塞下移一定距离,并铺上一层新的粉末材料,继续下一层的激光扫描烧结,而且新的烧结层与前面已成型的部分连接在一起。如此逐层地添加粉末材料有选择地烧结堆积,最终生成三维实体模型或零件。3)后处理全部烧结完成后,都要做一些后处理工作,如去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干、加热等处理以便获得原型或零件。采用塑料材料制成的原型零件一般用来作为功能性零件或样品试件,其机械性能如强度等要求不是很高,因此只需要对其外观进行一些简单的处理,如打磨、有机物微溶、去除零件表面
16、明显的层面痕迹等。1.3 覆膜砂的SLS技术研究现状在造型、制芯前砂粒表面上已覆有一层固态树脂膜的型砂,芯砂称为覆膜砂。也称壳型(芯)砂。它最早是一种热固性树脂砂,由德国克罗宁(CRONING)博士于1944年发明。其工艺过程是将粉状的热固性酚醛树脂与原砂机械混合,加热时固化。现已发展成用热塑性酚醛树脂加潜伏性固化剂(如乌洛托品)与润滑剂(如硬脂酸钙)通过一定的覆膜工艺配制成覆膜砂,覆膜砂受热时包覆在砂粒表面的树脂熔融,在乌洛托品分解出的亚甲基的作用下,熔融的树脂由线性结构迅速转变成不熔体的体型结构,从而使覆膜砂固化成型。覆膜砂一般为干态颗粒状,近年来我国已有厂家开发出湿态和粘稠状覆膜砂。覆膜
17、砂具有良好的流动性和存放性,用它制作的砂芯强度高、尺寸精度高,便于长期存放,在国际上,尤其在日本、韩国、东欧等国家及我国台湾地区铸造工业中的应用得到了快速发展。用覆膜砂既可制作铸型,又可制作砂芯(实体芯和壳芯),覆膜砂的型或芯既可以互相配合使用,又可以与其它砂型(芯)配合使用;覆膜砂不仅可以用于金属型重力铸造或低压铸造也可以用于铁模覆砂铸造,还可用于热法离心铸造;不仅可以用于生产黑色金属铸件,还可以用于有色金属铸件等等。现在,覆膜砂已广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机、机床、离心铸造、液压件及泵类等行业,可满足各种材料、各种生产条件的复杂精密铸件的生产要求。利用激光快速成型(选择性激光烧结)技术可
18、以制造各种零件和模型,如果选择合适的烧结材料,也可以直接制造铸型,即在此铸型中同时形成铸件的内外轮廓结构的型腔,而不需要型芯,也不需要砂箱,浇注金属冷却落砂后就可得到完整的铸件。这种方法对单件小批复杂铸件的制造极为有利,简化了铸造工艺过程,节约了时间,且有利于铸件质量的提高。采用覆膜砂作为烧结材料,选择性激光烧结(SLS)快速成型技术直接形成铸造用型(芯),开创了不用模型、不用芯盒直接制造砂型(芯)的先河,使用此方法可在数小时至数十小时内将CAD数据模型转化成可浇注各类金属铸件的型(芯),给铸造业带来了现代化的新气息20。用SLS法生产覆膜砂铸造型(芯)与传统的造型制芯工艺比较,有以下优点:1
19、)生产过程大为简化。从零件图纸到工艺设计、铸型(芯)的二维实体造型等都山计算机完成。2)可生产任何复杂程度的铸件。3)型、芯可整体制作,也可以型、芯分别制作。型、芯整体制作时不存在型、芯的装配定位问题;分别制作时,型、芯的定位装配精度也很高。4)不需要拔模斜度,铸件的壁厚小。5)省去了许多工装设备,使得复杂铸件的生产过程可以在SLS成型机上完成。但用SLS法也有它的局限性。首先,目前SLS成型机的价格昂贵,只适合做单件小批样品、试制品等;其次,由于分层叠加成型,SLS铸型在曲面或斜面上呈明显的“阶梯形”。用SLS法快速生产铸件的工艺过程可分为三步:1)SLS铸型(芯)的工艺设计及计算机三维造型
20、;2)SLS铸型(芯)的成型;3)SLS铸型(芯)的后续处理及浇注。1.4 课题研究的主要内容从快速成型技术的发展现状,特别是SLS成型技术的发展现状的分析发现,尽管SLS技术发展到今天已经达到相当高的水平,但是仍然存在很多需要继续研究的问题。烧结原型件的强度质量是选择性激光烧结试验最基本的要求,如果制件强度不高将严重影响烧结质量和烧结进程;大量试验结果表明,用SLS法烧结的覆膜砂试件的烧结强度较低,不能直接用于浇注金属铸件,必须对烧结后的制件进行后处理。除抗拉强度外,还应包括发气性、溃散性等。这些性能的好坏,将影响到金属液体在充型过程中冲砂、砂眼、粘砂、气孔等铸件缺陷的产生,以及型腔中的残留
21、型砂清理较为困难等方面的问题。本文以铸造覆膜砂为选择性激光烧结实验材料,研究了处理温度和后处理时间对其力学性能、发气性能和溃散性能的影响。并结合铸造实验分析影响覆膜砂烧结成型件精度的因素及其它性能的考核。本文具体研究的内容及试验方法如下:1)后处理温度对覆膜砂试件抗拉强度的影响试验试验方法:将ZK82 A型真空干燥箱预热到200,然后分别对覆膜砂“8”字试件进行加热、保温。待其冷却至室温后,将其放到杠杆式强度试验机上测量“8”字试件的抗拉强度,并记录数值。依次改变加热温度为200,210,220,230,240,250;然后在保温时间为20min的情况下分别记录下其强度值,最后求其平均值,并用
22、后处理温度常温抗拉强度的曲线表示出来。2)后处理时间对覆膜砂试件抗拉强度的影响试验试验方法:将ZK82A型真空干燥箱预热到230,然后分别对覆膜砂“8”字试件进行加热、保温。待其冷却至室温后将其放到杠杆式强度试验机上测量“8”字试件的抗拉强度,并记录数值。依次改变加热时间为10min,15min,20min,25min,30min重复上述操作,分别记录下其强度值,最后求其平均值,并用后处理时间常温抗拉强度的曲线表示出来。为了进一步了解覆膜砂成型件后处理过后的内部结构性能,还可以对其烧结成型件进行扫描电镜分析,从而还可以为后处理参数的合理确定提供有利依据。3)后处理温度对覆膜砂试件发气性能的影响
23、试验试验方法:将步骤1中保温20min试验后得到的“8”字试样断块按工艺条件进行编号,然后沿断面处将其摩擦成细小颗粒状进行取样,称取10.01g试样放入小瓷舟中,并将小瓷舟迅速送入预先预热到850的SFD型发气性测定仪,经过3min可以从记录纸上自接读出发气量的大小,重复以上操作,根据编号我们就可以分别得出固化温度为200,210,220,230,240,250下相应“8”字试样的发气量。4)后处理时间对覆膜砂试件发气性能的影响试验 试验方法:将步骤2中加热温度T=230试验后得到的“8”字试样断块按工艺条件进行编号,然后沿断面处将其摩擦成细小颗粒状进行取样,称取10.01g试样放入小瓷舟中,
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