快速製造技術

2022-12-18 07:57:03 字數 3014 閱讀 3484

快速製造(rm-rapidmanufacturing)是基於離散-堆積成形原理的先進製造技術的總稱。由產品的三維cad模型資料直接驅動,組裝(堆積)材料單元而完成任意複雜具有使用功能的零件的技術。直接快速製造可以避免繁複的工、模具製造;降低產品製造的耗時;使產品的製造成本有較大的下降。

例如,可增加產品設計的自由度,可採用非均質材料,可採用客戶定製以及及時製造的生產方式,易於實行異地製造等越是形狀複雜且批量小的零件,越應當採用快速製造技術。雷射立體光刻技術stereolithography (sla)

雷射立體光刻技術最早是由美國3dsystem公司開發,由計算機傳來的三維實體資料檔案,經軟體分層處理後,驅動掃瞄雷射頭,發出紫外雷射束在液態紫外光敏樹脂的表層進行掃瞄。液態樹脂表層受光束照射的那些點發生聚合反應形成固態。每一層的掃瞄完成之後,工作台下降乙個凝固層的厚度,一層新的液態樹脂又覆蓋在已掃瞄過的層表面。

一把刮刀準確地刮過新的樹脂層以保證其厚度的均勻性。如果實體上有懸空結構,可以通過預先判斷並生成必要的支撐工藝結構。依次類推形成最後的零件。

利用這種快速成形工藝可以快速製造功能零件。生產sla系統的主要製造商有美國的3dsystems公司、德國的eos公司以及國內的西安交通大學等。分層實體製造技術

laminated object manufacturing (lom)

lom快速原型技術將特殊的箔材一層一層地堆疊起來,雷射束只須掃瞄和切割每一層的邊沿。常用的箔材是在乙個面上塗熱熔樹脂膠的紙。箔材由供料捲筒被拉出,膠面朝下平整地經過造型平台,由位於另一方的收料捲筒收卷起來。

每敷覆一層紙,就由乙個熱壓輥壓過紙的背面,將其粘合在平台上或前一層紙上。這時雷射束開始沿著當前層的輪廓進行切割。雷射束經準確聚焦,使之剛好能切穿一層紙的厚度。

在模型四周和內腔的紙被雷射束切割成細小的碎片以便後期處理時可以除去這些材料。同時,在成型過程中,這些碎片可以對模型的空腔和懸臂結構起支撐的作用。一層完成後,工作平台下降乙個層的厚度,箔材已割離的四周剩餘部分被收料捲筒捲起,拉動連續的箔材進行下乙個層的敷覆。

如此周而復始,直至整個模型完成。lom工藝的後處理加工包括去除模型四周和空腔內的碎紙片,必要的時候還可以通過加工去除模型表面的台階狀。lom模型相當堅固,它可以進行機加工、打磨、拋光、繪製、加塗層等各種形式的加工。

目前用於lom技術的箔材主要有塗覆紙、覆膜塑料、覆蠟陶瓷箔、覆膜金屬箔等。生產lom系統的主要製造商有美國的helysis公司、新加坡的kinergy公司、日本的kira公司以及國內的清華大學、華中科技大學等雷射燒結技術laser sintering (sls)

選擇性雷射燒結(selectivelasersintering)是20世紀80年代末出現的一種快速成型新工藝——利用雷射束燒結粉末材料分層加工製造技術。零件的三維描述被轉化為一整套切片,每個切片描述確定高度的零件橫截面。採用雷射束對粉末狀的成型材料進行分層掃瞄,受到雷射束照射的粉末被燒結。

當乙個層被掃瞄燒結完畢後,工作台下降乙個層的厚度,乙個敷料輥又在上面敷上一層均勻密實的粉末,直至完成整個造型。在造型過程中,未經燒結的粉末對模型的空腔和懸臂部分起著支撐作用。sls也是不必象sla工藝那樣另行生成支撐工藝結構。

成型過程與複雜程度無關,無需任何工裝模具。因此特別適合於內部結構極其複雜的零件製造,例如,發動機缸體、缸蓋、進排氣管等。

sls的原理與sla相似,主要分別在於所使用的材料及其性狀。sla所用的材料是液態的紫外光敏可

凝固樹脂,而sls則使用粉狀的材料。這是該項技術的主要優點之一,因為理論上任何可熔的粉末都可以用來製造模型,這樣的模型可以用作真實的原型元件。目前,可用於sls技術的材料包括:

尼龍粉、覆裹尼龍的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚醯胺粉、蠟粉、金屬粉(成型後常須進行再燒結及滲銅處理)、覆裹熱凝樹脂的細沙、覆蠟陶瓷粉和復蠟金屬粉等。

sls技術視所用的材料而異,有時需要比較複雜的輔助工藝過程。以聚醯胺粉末燒結為例,為避免雷射掃瞄燒結過程中材料因高溫**燃燒,必須在造型機器的工作空間充入阻燃氣體,一般為氮氣。為了使粉狀材料可靠地燒結,必須將機器的整個工作空間、直接參與造型工作的所有機件以及所使用的粉狀材料預先加熱到規定的溫度,這個預熱過程常常需要數小時。

造型工作完成後,為了除去工件表面沾粘的浮粉,需要使用軟刷和壓縮空氣,而這一步驟必須在閉封空間中完成以免造成粉塵汙染。生產sls系統的主要製造商有美國的dtm公司、德國的eos公司以及國內的北京隆源公司、華中科技大學等。熔融擠壓或三維噴射成形製造fused deposition modeling (fdm)

熔融沉積技術是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化,從微細噴嘴擠噴出來。噴頭可沿著x軸方向移動,工作台沿y軸方向移動。使熱熔性材料的溫度始終稍高於固化溫度,而成型的部分溫度稍低於固化溫度,保證熱熔性材料擠噴出噴嘴後,立即與前乙個層面熔結在一起。

乙個層面沉積完成後,工作台按預定的增量下降乙個層的厚度,再繼續熔噴沉積,直至完成整個實體造型。傳統fdm工藝的熱熔性材料一般為abs、蠟、聚乙烯、聚丙烯等。對於有空腔和懸臂結構的工件,必須使用兩種材料,一種成型材料,另一種是空腔部分的支援材料,這些支援材料在造型完成後再除去。

支援材料一般採用遇水可軟化或溶解的材質,去除時用水泡浸清洗即可。改進的材料和成形工藝,使該技術能達到直接快速製造功能零件。

一種方法是使用摻有金屬粉末和粘結劑的複合材料絲作為熔融擠壓的材料,另一種是用噴頭將液態反應材料三維噴射出來,與其他材料反應,反應生成物為金屬,從而得到金屬零件;或者將粘結劑噴出,金屬粉末粘結在一起形成具有複雜形狀的零件,再脫粘、滲金屬後得到具有功能的零件。

熔融擠壓堆積成形技術不需使用雷射束,裝置**較低,因此,該工藝具很好的應用前景。國內在開發mem熔融擠壓快速製造系列裝置的基礎上,在成形材料方面的攻關也取得了重要進展,完成了新型精密噴頭、新型支撐軟體的開發,成形件的強度和精度大大提高,成形的零件不但可以進行裝配,而且可以進行功能實驗。

美國stratasys公司使用高強度的聚碳酸酯(pc)絲材,並採用高溫噴頭,製造出高強度、高效能的功能零件。例如使用fdmtitan裝置和pc線材製造的皮帶滑輪可代替生產線上的鋁製皮帶滑輪,並能正常執行。我國北京殷華公司已完成abs和pc絲材的開發和生產,正在大力推廣採用mem-350等裝置的快速製造技術。

美國3dsystems公司在fdm技術的基礎上發展了「多噴頭製造」技術multi-jetmanufacture(mjm),該項技術使用了多個噴頭同時造型,從而加快了工藝過程。

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