三维打印快速成型机材料的研究 - 图文(3)

西安科技大学硕士学位论文论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究、开发工作。有些单位已开发出商品化、能做出复杂原型的ＲＰ系统。例如北京隆源公司开发的ＡＦ江３００激光快速成形机（选择性激光烧结系统）、华中理工大学研制的以纸为成形材料的基于分层物体制造原理的ＨＲＰ系统、清华大学研制的多功能快速造型系统ＭＲＰＭＳ和基于ＦＤＭ的熔融挤出成形系统（ＭＥＭ－－２５０）等。在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具；隆源公司的ＲＰ服务中心也为企业制作了多种精密铸模；华中理工大学研究出了一种复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。此外，国内的家电行业在快速成形系统的应用上，走在了国内前列。如广东的美的、华宝、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。目前，国内由政府资助，正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速成型技术的服务机构。我们有理由相信：快速成形技术在我国将得到很好的应用。近期西安交通大学把快速成型技术应用于微电子机械系统（ＭＥＭＳ），成型三维ＭＥＭＳ器件。三维打印快速成型机（ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｒｉｎｔｉｎｇ，３ＤＰ）作为绿色的桌面快速成型设备，具有成本低体积小、无污染等优点【６】，但在国内尚处于研究阶段。三维打印机系统是集机械、控制及计算机技术等为一体的机电一体化系统，主要由ＸＹＺ运动控制系统，喷头结构、数控模块、成型环境模块等组成。目前清华大学、西安交大、上海大学等国内科研院所也在积极研发此类设备。３ＤＰ技术是美国麻省理工学院ＥｍａｎｕａｌＳａｃｈｓ等人开发的。３ＤＰ技术改变了传统的零件设计模式，真正实现了由概念设计向模型设计的转变。近几年来，３ＤＰ技术在国外得到了迅猛发展。美国ＺＣｏｐ公司与日本ＲｉｋｅｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ与２０００年研制出基于喷墨打印技术的、能够作出彩色原型件的三维打印机。该公司生产的Ｚ４００、Ｚ４０６以及Ｚ８１０打印机是采用ＭＩＴ发明的基于喷射粘结剂粘接粉术工艺的３ＤＰ设备。２０００年低以色列的ＯｂｊｅｃｔＧｅｏｍｅｔｒｉｅｓ公司推出了基于结合３Ｄｉｎｋ－－Ｊｅｔ与光固化工艺的三维打印机Ｑｕａｄｒａ。美国３ＤＳｙｓｔｅｍ、荷兰ＴＮＯ以及德国ＢＭＴ公司等都生产出自己岩石的３ＤＰ设备。３ＤＰ技术在国外的家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域已得到了较为广泛的应用。１．４论文的主要研究内容三维打印成型的材料包括粉末材料、与之匹配的粘接溶液以及后处理材料。为了满足成型要求，需要综合考虑粉术及相应粘接溶液的成分和性能。论文介绍了几种典型的成型粉末和相应的粘接剂材料，重点讨论了石膏基复合粉末的基本组成和各成分特点，并对所选用的粉末和粘接溶液的相关性能进行了测定。粉末配方的试验研究和优化６ｌ绪论粉末材料的成分和比例对三维打印成形的精度、强度、表面质量以及成形过程的可靠性有着重要的影响。粉末成分配方是一个多元系统，除了存在材料各成分配方对制件性能的主要效应之外，还存在各个因素之间交互效应的影响，粉末的配方是一个多因素、多水平问题，但由于三维打印成形的过程需要较长的时间，难以进行大量试验，而采用均匀理论进行混料的试验设计具有较好的效果，因此本文采用均匀设计理论进行粉末成分的配方设计。在粉末材料配方的均匀设计中，各个成分的比例存在一定的限制，因此需要采用带限制的混料均匀设计。采用电子扫描显微镜对不同粉末配方的制件进行微观结构观测，分析各成分对制件性能的影响规律。为了获得最优粉末配方，对均匀试验数据进行多元回归分析，利用得到的回归方程组对粉末配方进行多目标优化设计，利用ＭＡＴＬＡＢ软件求解出最佳配方，并对其进行试验验证。该方法同样适用于其他类型材料配方的试验研究和优化。７西安科技大学硕士学位论文２三维打印快速成型技术的设计思想２．１三维打印快速成型技术的总体思想快速成型机不断涌入市场，虽然工艺和材料各异，其主题设计思想都离不开将三维的零件转化为二维图形，然后再逐层叠加，几乎每种成型机的制造商都提供配套的材料，材料缺乏通用性，且成本相对较高。我们的设计思想也是基于这种先“离散”后“叠加”的思想，研究开发一种新的快速成型工艺和设备，在满足技术要求的情况下，材料方面主要考虑通用性和降低成本，快速成型设备的能源使用价格低的机械喷头代替激光器。具有成型速度快，材料具有通用性、价格低的特点，设备具有使用费用低廉的特点。２．１．１成型材料的选择本课题研究的是一种基于石膏粉末的快速成型技术，新型材料的开发已经成为当前快速成型技术研究开发的新焦点。石膏不受生产厂家的限制，不同规格和材质的石膏粉末可以在不同的石膏生产厂订购，价格相对便宜，制作出的原型具有抗压强度高的特点，可以用在一些特殊的场合，如工艺品的制作，复杂形状零件的制造。２．１．２成型思想本课题研究的基于粉末的快速成型技术是充分利用计算机技术、ＣＡＤ／ＣＡＭ、数控技术、精密传动等先进技术，将石膏粉末应用到快速成型制造当中去，使用粘结剂，在设备方面不采用价格昂贵且使用寿命短的激光器，而是采用价格低廉使用寿命长的喷绘机喷头。与其他快速成型技术相比，采用石膏粉作为快速成型的材料，不但可以使原型件的生产成本降低。采用合适的后处理方式，使成型件强度高、不易变形，可以在某些场合替代现有的塑料和树脂模型，作为概念原型、功能测试的原型、模具和功能零件使用。更有利于快速成型技术的推广。快速成型具有快速性、设计制造一体化、自由成型制造、高度柔性、材料的广泛性、技术的高度集成等优点。但是任何一项新技术的产生，都要经历逐渐完善的过程，快速成型技术目前正处于这一关键阶段，存在着一些不足。主要集中在下述几点上：（１）材料成本高就目前已有的几种快速成型技术来看，普遍存在材料成本高的问题，其中分层实体制造（ＬＯＭ）的材料最便宜，９．６３—１７．０８美元／ｋｇ，材料价格最贵的是立体平板印刷设备（ＳＬＡ）和熔积成型（ＦＤＭ），２５０＿－４５８美元／埏，选择性激光烧结（ＳＬＳ）的材料价格居中【１２】。清华大学开发研制的低温冰型快速成型方法，以水为原料，价格低廉，成型原件的８２三维打印快速成型技术的设计思想精度也好，但同时受到低温的限制，还不能在各领域广泛地使用。（２）设备价格和系统运行成本高目前一台快速成型设备需要３０．５０万美元，还不包括系统运行时所需的保护气体、水电动力、房屋、备件和维护费用，以及设备折旧费用等。对于采用激光作成型源的ｌｉｐ系统，必须着重考虑激光器的保证使用寿命和维修价格。例如：紫外激光器的保证使用寿命为２０００小时，紫外激光管的价格达上万美元。另外，由于成型原件在其强度、表面质量等性能在有些情况下还满足不了应用的要求。为了弥补直接成型零件的一些不足之处，我们往往投入大量的人力、物力进行必要的后处理，提高成型件的强度和表面光洁程度。（３）后处理成本高目前，直接由ＲＰ设备成型的零件，其强度、表面质量等性能在有些情况下还满足不了应用的要求。为了弥补直接成型零件的一些不足之处，往往需要通过适当的后处理工艺来提高成型件的强度和表面光洁程度。这就需要投入一定的人力和有关的后处理设备。２．２三维打印快速成型的研究特点２．２．１成型原理ＲＰ各种技术的成型原理基本相同，以下结合图２．１说明三维打印快速成型机的成型原理。喷嘴在微机控制下按加工零件各分层截面的形状运动并在工作台上喷粘结剂，在左侧有一送粉的辊子，将有粘结剂的表面铺上混合粉末、压实，从而形成一个固化的层面。当一层完成后，未被喷粘结剂的地方仍是粉末状的木粉。然后，升降台带动基板再下降一层高度，接着进行第二层喷粘结剂。新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。图２．１三维打印机成型原理９西安科技大学硕士学位论文２．２．２三维打印成型设备的功能快速成型设备是快速成型系统的核心部分，它应该与其快速成型工艺相适应，满足快速成型工艺需求。本课题研究的三维打印快速成型机的材料，采用石膏粉末为主要原材料，这就决定它与其他快速成型技术的不同，不能采用激光烧结或光固化的方法成型，只能通过分层选择性喷粘接溶液。其强度容易保证，且不需要其他支撑料，所以选择分层选择性喷粘接溶液的工艺方法。在左侧有一送粉的粉缸，将基板的表面铺石膏粉末、由粉辊压实，然后快速成型设备的喷嘴在电脑的控制下，按加工零件各分层截面的形状运动并在工作台上喷液粘接溶液，从而形成一个固化的层面。当一层完成后，未被喷粘结溶液的地方仍是粉末状的石膏。然后，升降台带动活塞再下降一层高度，接着进行第二层喷粘接溶液。新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。这样完成了铺粉—＞压实—＞喷粘结剂—＞工作台下降—＞再铺粉的循环过程。２．３本章小结（１）确定了三维打印快速成型的设计思想；（２）提出了基于石膏粉末快速成型设计预期实现的基本功能；（３）简要阐述三维打印快速成型设计思想的特点；（４）对三维打印快速成型的研究内容、工作原理、系统图、成型设备功能等作具体的介绍。１０