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快速成型制造技术研究与开发

2009/8/2    来源:万方数据    作者:吴刚      
关键字:快速成型  烧结  粉末成型  容错切片  
介绍快速成型制造技术的工艺过程,阐述SLS技术的工作原理及新产品的研发。

0 前言
    快速成型制造(Rapid Prototype Manufacturing,简称RPM)技术是20世纪后期起源于美国,并很快发展起来的一种先进制造技术,由计算机辅助设计(CAD)、反求工程(RE)、快速成型(RP)和快速制模(RT)技术在信息互联网支持下,形成一套快速制造系统的技术。RPM技术采用(软件)离散/(材料)堆积的原理,制造零件通过离散获得堆积的顺序、路径、限制和方式,通过堆积材料“叠加”起来形成三维实体.RPM技术的过程包括CAD模型建立、前处理(如生成STL文件格式,将模型分层切片)、快速原型过程和后处理(去除支架、清理表面、固化处理)等四个步骤。
1 RPM技术工艺控制
    RPM技术工艺控制与传统成型方式有很大差别,主要表现在:RPM技术不是使用一般意义上的模具或刀具,而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移和堆积;原型是通过堆积不断增大,其力学性能不但取决于成型材料本身,而且与成型中所施加的能量大小及施加的方式有密切关系;在成型工艺控制方面,需要对多个坐标进行精确的动态控制.能量在成型物理过程中是一个极为关键因素,在以往的去除成型和受迫成型中,能量是被动地供给的,一般无须对加工能量进行精确的预测与控制,而在RPM技术中,单元体制造中能量是主动地供给,需要精确的预测与控制,对成型中的能量形式、强度、分布、供给方式以及变化等进行有效的控制,从而经由单元体的制造而完成成型。
2 选择性激光烧结技术(SLS-Selective laser sintering)
    SLS是快速成型制造的一种,采用C02激光器,使用的材料为粉末。其工作原理是先在工作台上铺上一层粉末,用激光束在计算机控制下有选择地进行烧结(见图1),被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层,新一层与上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后,去除多余的粉末,便得到烧结成的零件。


图1


3 自主研发的双缸SLS实验产品
3.1 双缸SLS工作原理
    自主研发的双缸SLS产品粉末烧结快速成型系统工艺原理如图2所示,先在工作台上均匀地铺上一层很薄的热塑性粉末,再用红外线将粉末材料加热到低于烧结点的某一温度,利用计算机控制激光束及扫描镜按照设计零件在该层的截面形状进行有选择地烧结。继而工作台下降一个层厚、用辊筒在前一个烧结层上均匀地铺上一层粉末,再用激光烧结。如此反复进行逐层烧结,直至整个零件完成.最后用低压缩空气吹掉零件表面附着的松散粉末,得到零件。
3.2 双缸SLS工艺特点
    (1)取材广泛,工业上材料都可以用于SLS,并且可循环利用。
    (2)采用双缸送粉,提高加工效率。
    (3)成型件精度较高,因为使用的粉末材料的粉粒度直径一般在50--125μm,所以成型件的公差范围控制在0.5~2.5mm之内;在SLS烧结过程中,粉末材料的温度刚达到熔点,不能很好地流动来填充粉末颗粒之间的空隙,因此,成形件的表面品质不高,比较疏松,粗糙。
    (4)成本较低,但成型速度较慢,导致制件的精度和强度受到一定的限制。
    (5)适合中、小模具的制作。
    (6)能直接加工塑料、陶瓷及金属制品。
    (7)成型工艺简单,无须额外设计支撑,节约了预处理时问。
3.3 成型前处理


图2 双缸送粉SLS工作原理图


    成型前处理包括三维建模、成型方向选择及成型方向的离散切片处理。
    (1)双缸SLS接受计算机构造的原型件三维模型,进行分层切片处理后进行制造。根据产品要求或根据二维图纸在CAD软件上设计出产品的三维模型,双缸SLS采用STL文件格式的数据模型作为CAD几何模型与成型机所需数据转换接口以提高制作精度。
    (2)将3D模型的STL格式文件输入到双缸SLS后,用其自带的显示sTL格式文件的软件使模型旋转,从而得到不同的成型方向以达到更高的精度和降低材料消耗。
    (3)由于快速成型是按照一层层截面轮廓来进行加工的,因此,加工前必须从三维模型上沿成型高度方向,每隔一定的间隔进行切片处理,以便提取截面的轮廓。
    容错切片基本上避开了STL文件3D层次上的纠错问题,直接对STL文件切片,并在二维层次上进行修复,由于二维轮廓信息十分简单,并且具有闭合性、不相交等简单的约束条件,特别是对一般机械零件而言,其切片轮廓多为简单的直线、圆弧、低次曲线组合,因而能容易地在轮廓信息层次上发现错误,依照以上多种条件与信息,进行多余轮廓去除、轮廓断点插补等操作,可以切出正确的轮廓,对于不封闭的轮廓,采用评价函数和裂纹跟踪处理,可以切出有效的边界轮廓。
3.4 成型后处理
    成型后处理是成型过程完成后,对成型件进一步清理。先去掉支撑结构,剥离废料与成型件,再对工件表面有明显缺陷的地方进行修补,然后是抛光打磨,提高成型件的强度和表面质量。
4 结语
    快速成型制造技术是一种先进的制造技术,在工业和其他许多行业都得到了广泛的应用与推广。SLS技术是快速成型技术的一个重要分支,其发展对提高国家制造能力及市场竞争力有极大影响,SLS技术的发展也有巨大的产业化前景。

延伸阅读:

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    快速成型——拉近理想与现实的距离

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责任编辑:杜凯
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