材料成型工艺基础(第四版) 课件 第9、10章 快速成型技术、成型材料与方法选择

第9章快速成型技术9.1快速成型技术简介9.2快速成型工艺9.3快速成型技术的应用

9.1快速成型技术简介

快速成型技术(RapidPrototyping,RP)又称快速原型制造技术,是20世纪80年代末发展起来的一种先进制造技术,它突破了传统的制造方法,直接根据计算机辅助设计(CAD)模型,不使用机械加工设备就可快速制造形状复杂的零件。该方法综合了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等,是先进制造技术的重要组成部分。

9.1.1快速成型技术的原理

快速成型技术的成型工艺均基于离散叠加原理来实现快速加工原型或零件的生产。首先,由三维CAD软件设计零件的三维实体模型;然后,根据工艺要求,按照一定的规则将模型离散为一系列有序单元:通常对其进行切片分层,得到离散的多层平面,将三维模型变成一系列二维层片,并把各平面的数据信息传给成型系统的工作部件。用激光束或其他方法控制成型材料按照一定规律,精确、迅速地层层堆积黏结起来,形成三维的原型;最后,经后处理成为零件。具体工作原理如图9-1所示

图9-1快速成型技术的工作原理

9.1.2快速成型技术的分类及特点

快速成型工艺的种类很多,可按照材料的不同进行分类,快速成型材料包括液态材料、离散颗粒和实体薄片。液态材料的快速成型方法有液态树脂固化成型和熔融材料凝结成型,而液态树脂固化又包括逐点固化和逐面固化;熔融材料凝结成型又包括逐点凝结和逐面凝结。离散颗粒材料快速成型方法包括激光熔融颗粒成型和黏结剂黏结颗粒成型两种方法。实体薄片材料快速成型方法有薄片黏结堆积成型和光堆积成型两种。

快速成型方法与其他传统方法相比较,具有以下特点:

(1)快速成型技术具有高度的柔性,它属于非接触式加工,不使用刀具、夹具等专用工具,在计算机控制下制造出任意复杂形状的零件,从而摆脱了传统加工方法的局限性。

(2)快速成型技术方便地实现了设计制造一体化,通过离散分层模型工艺,将CAD、计算机辅助制造(CAM)技术和制造技术有效地结合在一起。

(3)快速成型技术与传统制造方法相比,不需要传统的刀具或工装等生产准备工作,任何复杂零件的加工均可在一台设备上完成,因此,很大程度上缩短了产品的开发周期,降低了开发成本。

(4)成型过程中无震动、噪声和废料。

9.2快速成型工艺9.2.1光固化成型工艺(SLA)光固化成型又称为光敏液相固化法、立体光刻、光造型等,是世界上第一种快速成型技术,它使用的成型材料是对某特种光束敏感的树脂。其基本原理为:在液槽内盛有液态的光敏树脂,激光束或紫外光光点在液面上按计算机切片软件所得到的轮廓轨迹,对液态光敏树脂进行扫描固化,形成连续的固化点,从而构成模样的一个薄截面轮廓。一个层面扫描完成后,进行下一层扫描,新固化的层黏结在前一层上,直至完成整个三维零件,如图9-2所示。

图9-2光固化成型过程

9.2.2叠层制造成型工艺(LOM)

叠层制造成型又称为分层实体制造,它采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等。其成型工艺如图9-3所示。

图9-3叠层制造成型工艺

9.2.3选择性激光烧结成型工艺(SLS)

选择性激光烧结成型工艺是在一个充满氮气的惰性气体加工室中利用粉末状材料成型的,所采用的材料较广泛,包括尼龙、蜡、ABS塑料、树脂、聚碳酸酯、金属及陶瓷粉末等。其工艺如图9-4所示。

图9-4选择性激光烧结成型技术工艺

9.2.4熔融堆积成型工艺(FDM)

熔融堆积成型工艺采用热塑性材料,即蜡、ABS塑料、聚碳酸酯、尼龙等,并以丝状供料。其工艺如图9-5所示。

图9-5熔融堆积成型工艺

9.2.5三维打印技术(3DP)

三维打印采用粉末材料,如陶瓷粉末、金属粉末,但不是经过烧结连接的,而是通过喷头用黏结剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上。其成型工艺如图9-6所示。

图9-6三维打印技术成型工艺

9.2.6快速成型工艺的比较

光固化快速成型工艺使用的是遇到光照射便固化的液体材料,称为光敏树脂。当扫描器在计算机的控制下扫描光敏树脂液面时,扫描到的区域就发生聚合反应和固化,这样层层加工即完成了原型的制造。光固化快速成型工艺所用的激光波长有限,这种工艺成型的零件有较高的精度且表面光洁。但其缺点是可用材料的范围较窄,材料成本较高,激光器价格昂贵,从而导致零件制作成本较高。

选择性激光烧结成型工艺使用固体粉末材料,该材料在激光的照射下,吸收能量,发生熔融固化,从而完成每层信息的成型。这种工艺材料适用范围很广,特别是在金属和陶瓷材料的成型方面有独特的优点。缺点是所成型的零件精度低和表面粗糙度较高。

三维印刷工艺是一种简单的快速成型技术,操作简单,速度高,适合办公室环境使用。缺点是工件表面顺滑度受制于粉末的大小,因此工件表面粗糙,须用后处理加以改善;原型件结构较松散,强度较低。

9.3快速成型技术的应用

1.新产品的开发快速成型技术的主要应用就是开发新产品,也就是产品的概念原型与功能原型的制造。

1)为决策层提供决策直观性

一个新产品的开发总是从外形设计开始的,外观是否美观实用往往决定了该产品是否能够被市场接受,传统的做法是根据设计师的思想,先制作出效果图及手工模型,经决策层评审后再进行后续设计。

2)减少人为缺陷,提高设计质量

在产品的开发设计过程中,由于设计手段和其他方面的限制,每一个设计都会存在着一些人为的设计缺陷,如果不能及早发现,就会影响接下来的工作,造成不必要的损失,甚至会导致整个设计的失败。因此,及早地发现并改正设计缺陷变得十分重要,使用快速成型技术可以将这种人为的影响减少到最低限度。

3)缩短设计周期,加快开发进度

快速成型技术的应用,可以做到产品的设计和模具生产并行。传统的设计手段中,只有在模具验收合格后才能进行整机的装配以及各种验收。设计修改模具和制造模具会导致

设计与制造过程包含大量重复性的工作,延长模具的制造周期,最终导致修改时间约仅占整个制作时间的20%~30%。应用快速成型技术之后,利用快速成型的制件进行整机装配和各种试验,随时与模具中心进行信息交流,这样模具制造与整机的试验评价并行工作,迅速完成从设计到投产的转换。

4)提供样件

由于应用快速成型技术制作出的样品比二维效果图更加直观,比工作站中的三维图像更加真实,而且具有手工制作的模型所无法比拟的精度,因而在样件制作方面有比较大的优势。利用快速成型技术制作出的样件,使用户非常直观地了解尚未投入批量生产的产品的外观及其性能并及时做出评价,使生产方能够根据用户的需求及时改进产品,为产品的销售创造了有利条件,同时避免了由于盲目生产可能造成的损失。同时,在工程投标中投标方常常被要求提供样品,投标方可通过样品展示进行直观全面的项目介绍,用更加完善的设计,为中标创造有利条件。

2.快速模具制造

模具是现代工业生产中最重要的工艺装备,其形状复杂又属单件生产,传统模具制作工艺复杂、时间长、费用高,而快速成型技术与传统工艺相结合推动了快速成型制造经济

的发展,也取得了很多成果。目前,较多地以快速成型技术制作的非金属原型件为母模,结合传统的制造方法来间接快速制作模具。

快速成型技术与精密铸造相结合互补,是快速生产单件小批量复杂形状金属零件的有效方法。最常见的是快速成型技术与熔模精铸相结合,即用快速成型制作的原型件作母模,或者由原型件翻制的软质模具所生产的蜡模作母模,再借助传统的熔模铸造工艺来生产金属零件。快速成型技术在精密铸造中的应用可以分为三种:一是消失成型件(模)过程,用于小批量件生产;二是直接型壳法,用于小量生产;三是快速蜡模模具制造,用于大批量生产。

3.医学仿生制造

快速成型技术在医学方面的应用日益增多。根据电子计算机断层扫描(CT)扫描或磁共振成像(MRI)核磁共振的数据,采用快速成型方法可以快速制造人体骨骼和软组织的实体模型,它们可帮助医生进行辅助诊断和确定治疗方案,具有极大的临床价值和学术价值。目前,该技术具体应用在颅骨修复、人工关节成型及牙科等方面。

由于其独特的高度柔性的制造原理及其在产品开发过程中的优势,快速成型技术已越来越受到制造厂商和科技界人士的重视,其应用也正从原型制造向最终产品制造发展。第10章成型材料与方法选择10.1毛坏材料成型方法选择10.2常用机械零件的毛坯成型方法选择

10.1毛坏材料成型方法选择

10.1.1常用的毛坯材料

材料成型中,常用的毛坯材料有金属材料、非金属材料和复合材料,其中金属材料尤其是钢铁材料仍是目前用量最大、应用最广的毛坯材料。

1.铸造合金

铸造合金为具有一定铸造性能、用于生产铸件的合金,主要用于制造形状较复杂的毛坯和零件。常用的铸造合金有铸铁、铸钢、铸造有色合金。

1)铸铁

铸铁在铸造合金中的应用最广,常用的铸铁有灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。

2)铸钢

铸钢的铸造性能差,力学性能优于铸铁,其中低碳铸钢的焊接性较好,一般用于制造承受重载荷、复杂载荷或冲击零件,如曲拐、齿轮等。

3)铸造有色合金

常用的铸造有色合金有铸造铝合金和铸造铜合金。

2.压力加工金属材料

压力加工过程中金属材料会产生一定的塑性变形,要求材料具有一定塑性,常用的材料有碳钢、低合金结构钢、合金钢及变形铝合金等。

常用金属毛坯材料的比较见表10-1。

10.1.2材料成型方法的选择原则

1.满足使用性能的要求

零件的使用性能要求包括零件类别、用途、形状、尺寸、精度、表面质量以及材料的化学成分、金属组织、力学性能、物理性能和化学性能等方面的使用要求。

2.适应成型工艺性要求

成型工艺性包括铸造工艺性、锻造工艺性、焊接工艺性等。

3.经济性原则

经济性原则是指零件的制造材料费、能耗费、人工费用等成本最低。

4.环保节能原则

在发展工业生产的同时,必须考虑环保和节能问题,必须做到以下几点:

(1)尽量减少能源消耗,选择能耗小的成型方案,并尽量选用低能耗成型方法的材料,合理进行工艺设计,尽量采用净成型、近净成型的新工艺。

(2)不使用对环境有害和产生对环境有害物质的材料,采用材料利用率高、易再生回收的材料。

(3)避免排出大量CO2气体,导致地球温度升高。例如汽车在使用时需要燃料并排出废气,则使用重量轻、发动机效率高的汽车可降低排耗,可通过更新汽车用材与成型方法实现。

5.利用新工艺、新技术、新材料

随着科技的不断发展,市场需求的不断增加,用户要求多变的、个性化的精制产品:产品的生产由大批量转变成小批量,多品种转变成少品种;产品的类型更新加快,生产周期缩短;同时还要求产品的质量高且成本低。

10.2常用机械零件的毛坯成型方法选择

常用成型方法的比较见表10-2。

10.2.1轴杆类零件

轴杆类零件为长径比较大的零件,常见的有光轴、阶梯轴、偏心轴和曲轴等,如图10-1所示,主要功用为支撑传动件,传递运动和动力,承受弯曲、扭转、拉伸、压缩等各种应力。

图10-1轴杆类零件

10.2.2盘套类零件

盘套类零件包括齿轮、带轮、飞轮、模具、法兰盘、联轴节、套环、垫圈等,如图10-2所示,它们通常为轴向尺寸小于径向尺寸,或两个方向尺寸相近。一般对于承受轻载、力

学性能要求不高的盘套类零件采用铸造或结合焊接的方法制造,而对于承受重载、力学性能要求较高的零件则采用锻造方法。

图10-2盘套类零件

10.2.3机架、箱座类零件

机架、箱座类零件一般结构复杂,壁厚分布不均匀,形状不规则,重量从几千克至数十吨,工作条件也相差很大。机身、底座等一般的基础零件,主要起支承和连接机械各部件的作用,除承受压力外,还要求有较好的刚度和减震性;有些机械的机身、支架还要承受压、拉和弯曲应力的耦合作用,以及冲击载荷;工作台和导轨等零件,则要求有较好的耐磨性;箱体零件一般受力不大,但要求有良好的刚度和密封性,这类零件通常铸造成型。对于不易整体成型的大型机架可采用焊接成型方法完成,但结构会产生内应力,易产生变形,吸震性不好。

10.2.4毛坯成型方法选择举例

图10-3所示发动机上的排气门,材料为耐热钢,可有下列几种成型方法。

(1)胎模锻造成型:选用大于气门杆直径的棒料,采用自由锻拔长杆部,再用胎模镦粗头部法兰。这种方法生产率低,常用于小批量生产。

(2)平锻机模锻成型:选用与气门杆部直径