sls快速成型机设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

sls快速成型机设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

出不同的材料。 在 CAD设计中，可以设计出一个完整的器件。 器件中的零件由不同 材料组成，分层后的材料信息将在每个层面中体现出来。 在每一层面上，根据各部分所需要的材料要求，分别喷上所需材料，这样逐层制造就可成型出一个多种材料和部件的三维实体器件。 这种技术可在一些小型复杂结构器件的一次整体制造中使用，而无需分件加工和装配，是一个材料与结构一体化的方法，是发展微机械制造的一条有效途径。 当前各种 RP系统在软件和硬件的实现上有 70%80%是相同或相近的，有文献提出了快速成型技术功能集成的新思想，即在一个现有的分层设计方案 16 制造 RP系统上仅增加 20%30%的元器件和软件功能就可进行另一种成型工艺 .该 文讨论了 RP功能集成理论基础以及 RP功能耦合的机械电子学基础，并研制成功了具有 FDM与 LOM复合功能的新型 RP设备。 此外，开发高性能的 RP软件也是 RP技术的一个重点研究方向，这个领域的研究主要集中在开发 :(1) CAD文件转换处理软件，包括 STL文件格式转换、切割软件和自适应性分层软件。 (2)快速高精度的直接切片软件。 (3)高性能的 RP系统的工艺数控软件。 (4)绝大多数的 RP应用中使用三维 CAD系统，表面模型的 CAD软件不适于不熟悉 RP要求的人。 目前三维 CAD软件较多且功能强大，但是仍然存在局限性，除了价 格太昂贵外，对于复杂的型体如变半径倒角、倒角交接部分等的型体信息有时不能精确的加以描述，所以更高精度、更廉价 CAD造型软件的开发也是 RP软件系统研究的一个方向。 RP与 CAD,CAE,CAPP,CAM,R T以及高精度自动测量技术的一体化集成可以大大提高新产品迅速上市成功的可能性，也可快速实现反求工程。 将反求工程与快速成型相结合实现快速零件 /模具的制造是集成快速成型制造的一个重要应用。 RP 技术经过十几年的发展，以其高速度高柔性、技术高度集中和设计制造一体化以及制造的自由性，显示出无限的生命力，成功地实现了CAD/CAM 的集成。 RP 技术以其不可比拟的优势必将成为在 21 世纪占重要地位的先进制造技术。 目前美国、欧洲和日本都站在 21 世纪制造业竞争的战略高度，对 RP 技术投入了大量的研究和开发力量及经费， RP 技术正处于迅速发展的时期，其发展和应用前景非常广阔，其趋势将主要体现在直接金属成型、非均质梯度零件直接制造、多材料复合化、设备小型微型化而加工能力大型化和高精度、高速成型等， RP 技术在工业中的应用将日益广泛化。 我国于 90 年代初期开始进行 SLS 成型机的研究。 虽然起步较晚，但进步很快。 例如，华中科技大学开发出的用于铸 造中沙型的 HRPS1 型成型机，用于高分子成型的 HRPS3 型成型机。 目前主打产品为 HRPS2A, HRPS3A,其独特的三缸式，双送料桶的送粉系统可使烧结辅助时间大大减少，最大成型空间可达 500mm 500mm 500mm，激光最大扫描速度可达4m/s,可用的粉末材料多样化，如多种高分子粉末，金属粉末，陶瓷粉末和复膜砂等。 本课题设计的目的和主要内容 从上面关于 RP技术的发展现状特别是 SLS成型技术的发展现状分析发现，当今 SLS技术己经能达到很不错的强度和精度。 但是为了使快速成型技术从经济和技 术上变得更有吸引力，就得在进一步减少成型时间而又吉林大学本科毕业设计说明书 17 不增加昂贵的开发成本的同时，提高成型系统的综合性能。 基于此目的，作者总结吸取了已有的成熟成型机设计，有所比较，有所创新的提出了本设计方案。 希望通过对送料装置，以及传动装置的改进设计，能使读者与作者一道，增加对 SLS的了解，并为我国激光烧结快速成型技术的发展贡献自己的力量。 2 设计方案题目要求 工作内容和要求： 成型空间： 300x300x300 mm 激光头最大运动速度： 100 mm/s 激光头定位精度：177。 mm 上拖板，激光聚焦系统以及直线导轨轴 等的总重量：约 8kg 最大成型件的重量约为： 5kg 烧结深度 /托盘的层间下降距离： z 方向定位精度： 3 SLS 的工作原理 作者根据商业市场上应经成熟的产品进行比较，总结了 SLS 成型机的工作原理。 SLS 工作过程主要有两个过程组成： —— 离散处理 由计算机上建模的 CAD 三维立体造型零件，或者通过逆向工程得到三维实体图形文件。 将其转换成 STL 文件格式。 再用一离散（切片）软件从 STL文件离散出一系列给定厚度的有序片层 (或者直接从 CAD文件直接进行切片 )。 这些离散的片层按次序累 积起来仍时所设计的零件实体形状。 然后，将上述的离散（切片）数据传递到成型机中去。 成型机中的扫描器在计算机信息的控制下逐层进行扫描烧结。 即可得到成型件。 —— 叠加成型 目前市场上 SLS 成型机产品很多，但从成型过程来看，其原理大体分为两种。 一种是 DTM 为代表，而另一种是以 为代表。 下面就以这两代表为例，分别介绍叠加成型的物理过程。 设计方案 18 DTM—— 分缸铺粉 成型系统的主体结构地在一个封闭的成型室中安装两个刚体活塞结构。 一个用于供粉，另一个用于成型。 成型过程开始前，用于红外线板将粉 末材料加热之恰好低于烧结点的某一温度。 成型开始时，供粉缸内活塞上移一给定量，而成型缸内活塞下一相同量。 铺粉滚筒将粉料均匀的铺在成型缸加工表面上。 激光束在计算机控制下以给定速度和能量对第一层信息进行扫描。 激光束扫过之处粉末被烧结，固化为给定厚度的片层，未烧结的粉末被用来作为支撑。 这样，零件的第一层边制作出来了。 而后，供料缸，成型缸分别重复上述动作。 激光束按第二层信息扫描，被烧结的粉末固化成第二层。 如此反复至完成。 如图 1。 图 1 —— 送料槽铺粉 在 系统中，烧结固化过程与 DTM 相同。 而铺粉方式有所不同。 粉末的铺撒是有一个槽型喷嘴实现的，其导向跟踪板的轮廓被设计成当喷头从一边偏向另一边是保持喷力的方向始终垂直于工件表面。 喷头侧面设计有刮刀装置。 如图 2。 吉林大学本科毕业设计说明书 19 图 2 通过比较，前者铺粉装置结构较为复杂，需有储料缸，即送料滚筒；而后者送料装置和铺粉装置合为一体，在送料的同时即可将粉末铺平。 但从精度，以及可操纵简易性考虑，前者更容易实现。 储料缸体积只要大于成型缸即可保证 粉末供应的重足，而 铺粉 滚筒在铺粉过程中，最低点（即速度瞬心）的切向力和法向力保证了粉料铺撒过程中的均匀结实。 后者的送料槽在送料过程中需要有泵体提供压力，通过管道和送料口直径来控制流量，从而保证成型缸的铺粉要求。 在设计初期，作者尝试两个方案都进行设计。 而后比较得出优化方案。 据作者调查研究，目前国内许多研究机构设计的 SLS 快速成型机大都沿用 的设计思路，将铺粉机构设计成单独的装置，悬挂在成型表面上方运动。 而国外大部分公司相反，将铺粉装置简化设计成缸体结构。 作者对两种方案都进行了设计，设计简图如下：（ 图 3，图 4） 图 3： DTM 形式； 图 4： 形式。 设计方案 20 图 3 图 4 吉林大学本科毕业设计说明书 21 4 SLS 的工艺过程及特点 激光选区烧结（ SLS）的工艺特点 ： （ 1） 可采用多种材料 从原理上说，此方法可采用加热使黏度降低的任何粉末材料，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） 制造工艺比较简单 由于可用多种材料，激光选区烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型，型模，三维构件或部件及工具，能广泛适应设计和变化等。 （ 3） 制造精度较高 依赖于使用的材料种类和粒径，产品的几何形状和复杂程度，这种工艺 一般能够达到全工件范围内 t(~)mm 的公差。 当粉末粒径为，成型后的原型精度可达 t 1%。 （图 5） 图 5 工艺过程及特点 22 粉末原料的烧结 激光选区烧结工艺的原料一般为粉末，可选用的粉末主要有金属粉，陶瓷粉和塑料粉，分别制造出相应的原型或零件。 作者对目前常用的粉末材料进行了调查研究，做出一下总结： 1） 高分子粉末材料：聚碳酸酯（ PC），聚苯乙烯粉（ PS）， ABS，尼龙（ PA），尼龙与玻璃微球的混合物，蜡 粉； 2） 金属粉末材料：金属粉，不锈钢粉末，还原铁粉，铜粉，锌粉，铝粉。 值得一提的是，大部分金属粉末在应用时需要提供粘结剂，其目的是为了增强粉末的粘结性，从而提高成型件的刚度和强度； 3） 陶瓷粉末材料： 2 3 2,Al O SiC ZrO。 同样，陶瓷粉末也需要有粘结剂，常用粘结剂：无机粘结剂，有机粘结剂，技术粘结剂。 4） 覆膜砂粉末材料：覆膜砂粉末，常用的粘结剂多为低分子量酚醛树脂。 在工艺过程中，对于加工原料的颗粒等级有着严格的划分，不同直径的颗粒制造的原件在精度，刚性及使用性能方面都不尽相同。 据划 分如下：（表 2） 表 2— SLS 粉末材料颗粒等级划分 直径大于 10mm 粒体 1181。 m~10nm 细粉末或微粉末 10mm~100181。 m 粉粒 直径小于 1nm 超微粉末（纳米粉末） 100181。 m~1181。 m 粉末 材料性能对成型过程的影响 （ 1） 吸收性：二氧化碳激光的波长为 微米，要求材料在此波段有吉林大学本科毕业设计说明书 23 较强的 吸收特性，才能使粉体在较高的扫描速度下熔化和（ 2） 热传导型：材料的导热系数小，可以减小热影响区，保证成型尺寸精度及分辨率，但成型效率低。 （ 3） 收缩率：要求材料的相变体积收缩率和膨胀系数尽量小，减少成型内应力和收缩翘曲。 （ 4） 熔点：熔点低易于烧结成型。 熔点高则易于减少热影响区，提高分辨率。 （ 5） 玻璃化温度：对非晶体材料，影响作用于熔点相似。 （ 6） 结晶温度与速率：在一定冷却速率下，结晶温度低，速率慢，有利于工艺控制。 （ 7） 热分解温度：一般要求有较高分解温度。 （ 8） 阻燃及抗氧化性：要求不易燃，不易氧化。 （ 9） 模量：模量高，不易变形。 （ 10） 熔体粘度：粘度小，易于粘结，强度高，热影响区大。 （ 11） 粉体粒 径：粒径大，成型精度于表面粗糙度差，不易与激光吸收，易变形；粒径小，易与激光吸收，表面质量好，成型效率低，强度低，成型效率低，强度低，易污染，易烧蚀。 （ 12） 粒径分布：合适的粒径分布有利于形成致密堆积，减少收缩变形，粉体中不含过细成分。 （ 13） 颗粒形状：影响粉体堆积密度和表面质量，流动性和光吸收性，应接近球形。 （ 14） 堆积密度：影响收缩率和成型强度。 粉末材料的选择 根据上述调查研究，作者决定本设计方案使用的粉末材料为蜡粉。 而用作激光烧结快速成型的蜡粉既要具备良好的烧结成型性能，又要考虑对后继精密制造工艺的适应性。 一般来说，应满足以下三个要求： 一． 烧结性能好，要具备良好的激光烧结成型性能。 二． 成型质量好，成型蜡模的强度和精度要高，且要便于打磨处理。 三． 脱摸性好，制的的蜡模要能方便，快速的脱除，且残留灰分要少。 传统的熔模精铸用蜡（烷烃蜡，脂肪酸蜡等）其熔点较低，大约在60 度左右，烧熔时间短，烧熔后没有残留物，对熔模铸造的适应性好，且成本低廉，但存在以下缺点： 1） 对温度敏感，烧结时熔融流动性大，使成型不易控制。 2） 成型精度差，蜡模尺寸误差为 177。 （ ~） mm，表面粗糙度为材料的选 择 24 ~。 3） 蜡模强度低，难以满足具 有精细，复杂结构铸件的要求。 4） 粉末的制备相对来说十分苦难。 鉴于此，我国对石蜡粉末材料的研究在不断的开发研制中。 作者与本方案中就采用新型材料粉末 —— 低熔点高分子蜡复合材料。 华北化工学院采用化学合成法，开发了以氧化聚乙烯蜡为主要成分的复合精铸蜡粉 —— PCP1。 使用此材料，烧结成形件经简单后处理（清粉，涂液），便可达到精铸蜡模的要求。 PCP1 性能如下（图 6） 图 6 PCP1 主要性能指标 外观 松装密度 平均粒径 吸湿率 玻璃化温度 粘流温度 白色  % 65oc 80oc 在通过传统的精铸工艺，进行涂壳，脱蜡，焙烧等，便可得到合格铸件。 PCP1 的主要优点： 1） 烧结性能好，无须预热。 2） 成型性能优良，成型件变形小。 3） 脱模性好，用蒸气法即可脱除干净，无需燃烧分解，避免了环境污染。 5 SLS 的系统组成 激光选区烧结快速成型系统一般由主机，控制系统和冷却器三部分组成。 吉林大学本科毕业设计说明书 25 主机主要有成型工作缸，废料回收缸，铺粉轮筒装置，送料工作缸，激光器，激光器，振镜式动态聚焦扫描系统，机身与机壳等组成。 成型工作缸 在缸中完成零件的加工，工作缸每次下降的距离即为层厚。 零件加工完后，缸升起。