快速成型技术的应用

快速成型技术的应用内容摘要：

模具的寿命为 50～ 5000 件，由于其制造成本低、周期短，特别适合于产品试制阶段的小批量生产。 2）钢质模具的制作 将 RPM 技术与精密铸造技术相结合，可实现金属模的 快速制造。 或者直接制造出复形精度较高的 EDM 电极，用于注塑模、锻模、压铸等钢制模具型腔的加工。 一个中等大小、较为复杂的电极一般 4～ 8h 即可完成，复形精度完全满足工程要求。 福特汽车公司用此技术制造汽车模具取得了满意的效果。 上海交通大学也已通过 RP 与精密铸造结合的方法为汽车及汽车轮胎等行业生产进口替代模具计 80 余副。 与传统机加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。 我国每年需进口模具达 8 亿多美元，主要是复杂模具和精密模具，因此， SLS 技术在未来的汽车模具制造业中的应用前景十分广阔。 （ 2） 在汽车灯具制造 上的应用 汽车灯具大多数的形状是不规则的 ,曲面复杂 ,模具制造难度很大。 通过快速成型技术 ,可以很快得到精确的产品试样 ,为模具设计 CAD 和 CAM 提供了有利的参考。 同时 ,也可以通过快速成型技术 ,用熔模铸造的方法快速、高精度地制造出灯具模具。 激光薄片叠层制造（ LOM）技术 工艺原理 LOM 技术是一种常 用来制作模具的新型快速成形技术。 其原理是先用大功率激光束切割 材料 薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型的立体几何形状。 如图 28，首先将需进行快速成型的产品的三维图形 输入计算机的成型系统，用切片软件对该三维图形进行切片处理，得到沿产品高度方向上的一系列横截面轮廓线。 单面涂有热熔胶的纸卷套在纸辊上，并跨过支撑辊绕到收纸辊上。 步进电机带动授纸辊转动，使纸卷沿图中箭头方向移动一定距离。 工作台上升到与纸接触，热压辊沿纸面自右向左滚压，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与基底上的前一层纸粘合。 CO2激光器发射的激光束经反射镜和聚焦镜等组成的光路系统到达光学切割头，激光束跟踪零件的二维横截面轮廓数据，进行切割，并将轮廓外的废纸余料切割出方形小格，以便成型过程完成后易于剥离余料。 每切割 完一个截面，工作台连同被切割的轮廓自动下降至一定高度，然后步进电机再次驱动收纸辊移到第二个需要切割的截面，重复下一次工作循环，直至形成由一层层横截面粘叠的立体纸模样。 然后剥离废纸小方块，即可得到性能似硬木或塑料的“纸质模样产品”。 LOM 技术制作冲模，其成本约比传统方法节约 1/2，生产周期大大缩短。 用来制作复合模、薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著。 该技术在国外已经得到了广泛的使用。 薄片叠层制造工艺的材料 LOM 工艺中的成型材料包括薄层材料、粘结剂和涂布工艺。 薄层材料有纸、塑料薄膜、金属箔等。 目前 LOM 成型所用薄层材料多为纸材，而粘结剂一般为热熔胶。 纸材的选取，热熔胶的配制及涂布工艺均要从保证最终成型零件的质量出发，同时考虑成本。 （ 1） 成型用纸 LOM 成型用纸应满足一下要求： 1）良好的抗湿性，保证原材料不会因时间长而吸水。 2）良好的浸润性。 以保证良好的涂胶性能。 3）抗拉强度，保证在加热过程中不被拉断。 4）收缩小，保证加热过程中不会因部分水分损失而导致变形。 5）剥离性能好，防止剥离时发生破坏。 图 28 LOM 法工艺原理示意图 6）易打磨，表面光洁。 7）稳定性好，成型零件可长时间保存。 （ 2） 热熔胶 1）纸层之间的 粘结靠热熔胶保证。 热熔胶的种类很多，其中以 EVA 型热熔胶的应用最2）广泛，占热熔胶总量的 80%。 热熔胶中还要添加其它特殊的组分以满足以下要求： 3）良好的热熔冷固性（室温下固化， 70～ 100℃开始熔化）。 4）在反复的熔融 固化条件下呈现良好的物理和化学稳定性。 5）在熔融状态下与纸具有良好的涂挂性和涂匀性。 6）与纸具有足够的粘结强度。 7）良好的废料分离性能。 （ 3） 涂布工艺 涂布工艺包括涂布形式和涂布厚度。 涂布形式指的是均匀式涂布还是非均匀涂布。 均匀涂布采用狭缝式刮板进行涂布，非均匀涂布有条纹式或颗粒 式。 涂布厚度指的是在纸上涂多厚的胶，选择涂布厚度的原则是在保证可靠粘结的情况下，尽可能涂得薄，以减少变形、溢胶和措移。 LOM 工艺后置处理中的表面涂覆 LOM 原型经过余料去除后，为了提高原型的性能和便于表面打磨，经常需要对原型进行表面涂覆可提高原型的强度和耐热性，改进抗湿性，延长原型寿命。 表面涂覆的工艺过程如下： （ 1）将剥离后的原型用砂纸轻轻打磨， （ 2）按规定比例配制环氧树脂（ TCC630/TCC115N=100：20），并混合均匀。 （ 3）在原型上涂刷一层混合后的材料，因材料粘度低，材料 会很容易浸入纸基原型中，深度可达 ～。 （ 4）再次涂覆以填充沟痕，并长时间固化。 如图 29。 （ 5）对已经涂覆了坚硬环氧树脂的原型再次用砂纸打磨，打磨中注意确保原型的尺寸精度在要求的范围内。 （ 6）对原型表面进行抛光，达到无划痕的质量后进行透明涂层的喷涂，以增加表面的外观效果。 如图 210。 薄片叠层制造工艺在铸造中的应用实例 某铸铁机床操作手柄，人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时困难，而且不能保证精度。 随着 CAD/CAM 技术的发展和普及，具有复杂曲面形状的手柄的设计直接在 CAD/CAM软件平台上完成，借助 LOM 制造技术，可以直接由 CAD 模型高精度地快速制作砂型铸造用 图 29 涂覆两遍环氧树脂后原形表面形态示意图 图 210 抛光后原型表面的效果示意图 木模，克服了人工制作的局限和困难，极大地缩短了产品生产的周期并提高了产品的精度和质量。 图 211 为铸铁手柄的 CAD 和 LOM 模型。 a) b) 图 211 铸铁手柄的 CAD 和 LOM 原型 a) 手炳 CAD 造型 b）手炳的 LOM 原型 FDM熔丝沉积成型法 工艺原理 FDM （ Fused Deposition Manufacturing） 使用一个外观非常像二维平面绘图仪的装置 ，只是笔头被一个挤压头（喷头）代替，它可挤压出一束非常细的蜡状塑料（热塑性）或熔模铸造腊。 喷头可沿 X 方向移动，而工作台则沿 Y 轴方向移动。 如果热熔性材料的温度始终高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。 一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。 FDM 制造工艺的基本原理如图212 所示，其过程如下： 将实芯丝材原材料缠绕在 供料辊上，由电动机驱动棍子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的方向送出。 在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦材料制成以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔（最大送料速度为 10～ 25mm/s，推荐速度为 5～ 8mm/s）。 喷头的前端有电阻丝式加热器，在其作用下，丝材被加热熔融（熔模铸造腊丝的熔融温度为 74℃，机加工腊丝的熔融温度为 96℃， ABS 塑料丝为 270℃），然后通过出口涂覆在工作台上，并在冷却后形 图 212 FDM 工艺基本原理 成界面轮廓。 由于受结构的限制，加。