固化快速成型技術(shù)的控制原理及應(yīng)用

6/6固化快速成型技術(shù)的控制原理及應(yīng)用光固化快速成型技術(shù)的控制原理及應(yīng)用

要實現(xiàn)光固化快速成型，感光樹脂的選擇也很關(guān)鍵。它必須具有合適的粘度，固化后達到一定的強度，在固化時和固化后要有較小的收縮及扭曲變形等性能。更重要的是，為了高速、精密地制造一個零件，感光樹脂必須具有合適的光敏性能，不僅要在較低的光照能量下固化，且樹脂的固化深度也應(yīng)合適。

2成型過程及控制

光固化快速成型的過程分為前處理、分層疊加成型及后處理三個階段，具體步驟如圖2所示。

圖2SLA的工藝過程

快速成型機只能接受計算機構(gòu)造的三維模型，然后才能進行切片處理。因此，應(yīng)在計算機上采用計算機三維輔助設(shè)計軟件，根據(jù)產(chǎn)品的要求設(shè)計三維模型或?qū)⒁延挟a(chǎn)品的二維三視圖轉(zhuǎn)換成三維模型。

制品越復(fù)雜，構(gòu)制三維模型越困難。用于構(gòu)造模型的計算機輔助設(shè)計軟件很關(guān)鍵，要求具有較強的三維造型功能。目前快速成型行業(yè)中常用的計算機輔助軟件系統(tǒng)主要有Pro/ENGINEER、AutoCAD等。其中，Pro/ENGINEER軟件因有較強的實體造型和表面造型功能，可構(gòu)造非常復(fù)雜的模型，所以受到許多用戶的好評，但其價格較貴，系統(tǒng)較龐大，使用界面不夠友好，新用戶使用常需一段熟悉和積累經(jīng)驗的過程。AutoCAD雖價格低，操作簡單，但成型復(fù)雜制品困難，設(shè)計費工費時。近年推出的SolidWorks的價格比較便宜，能基本滿足三維造型的要求，且界面友好，容易掌握，因此不少用戶對此軟件感興趣。

上述計算機輔助設(shè)計軟件產(chǎn)生的模型文件輸出格式有多種，基中常見的有IGES(InternationalGraphicsExchangeStandard)、HPGL(HPGraphicsLanguage)、STEP(StandardfortheExchangeofProduct)、DXF、STL(StereoLithographyInterfaceSpecification)等。STL格式是快速成型機常采用的一種模型文件輸出格式。

3應(yīng)用

要將一種新產(chǎn)品成功地投入到競爭激烈的市場中需要其產(chǎn)品開發(fā)的速度快及生產(chǎn)周期短。只有將快速與柔性制造工藝結(jié)合才能達到理想效果。SLA集現(xiàn)代控制技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)和新材料科學(xué)的成果與一體，突破了傳統(tǒng)加工模式，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。目前光固化快速成型技術(shù)的應(yīng)用主要有:

(1)用SLA制造模具

用SLA工藝快速制成的立體樹脂?？梢源嫦?zāi)＿M行結(jié)殼，型殼焙燒時去除樹脂膜，得到中空型殼，即可澆注出具有高尺寸精度和幾何形狀、表面光潔度較好的合金鑄件或直接用來制注射模的型腔，可以大大縮短制模過程，縮短制品開發(fā)周期，降低制造成本。

(2)對樣品形狀及尺寸設(shè)計進行直觀分析

在新產(chǎn)品設(shè)計階段，雖然可以借助設(shè)計圖紙和計算模擬對產(chǎn)品進行評價，但不直觀，特別是形狀復(fù)雜產(chǎn)品，往往因難于想象其真實形貌而不能作出正確、及時的判斷。采用SLA可以快速制造樣品，供設(shè)計者和用戶直觀測量，并可迅速反復(fù)修改和制造，可大大縮短新產(chǎn)品的設(shè)計周期，使設(shè)計符合預(yù)期的形狀和尺寸要求。

(3)用SLA制件進行產(chǎn)品性能測試與分析

在塑料制品加工企業(yè)，由于SLA制件有較好的機械性能，可用于制品的部分性能測試與分析，提高制品設(shè)計的可靠性。

(4)進行單件或小批量產(chǎn)品的制造

在一些特殊行業(yè)，有些制件只需單件或少于50的小批量，這樣的產(chǎn)品通過制模再生產(chǎn)，成本高，周期長。一般可用SLA直接進行成型，成本低，周期短。

(5)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

外科醫(yī)生已利用CT與MRI所得數(shù)據(jù)，用SLA制造模型，以便策劃頭顱和面部手術(shù)。他們還用SLA制成模型進行復(fù)雜手術(shù)練習(xí)，為牙齒、骨移植等手術(shù)設(shè)計樣板。

4結(jié)語

SLA技術(shù)是一種新型成型方法，雖然問世不久，但已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，給許多行業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。特別是隨著科技不斷進步，要求制品生產(chǎn)周期越來越短，這為光固化快速成型的生產(chǎn)與發(fā)展帶來一個絕好機遇。且光固化體系是綠色新技術(shù)，符合國家環(huán)保政策，將為模具、塑料等行業(yè)帶來豐厚回報，其自身也將獲得更大的發(fā)展。目前SLA技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達國家應(yīng)用較為廣泛。我國僅一些高等院校及有關(guān)廠家在吸收消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了光固化快速成型機，但不管是在質(zhì)量及數(shù)量上，還是在應(yīng)用領(lǐng)域方面，與國外相比都還有較大的差距。只有不斷推廣SLA技術(shù)，加以不斷完善，才能在該領(lǐng)域趕上并超過發(fā)達國家。

利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝

方法

該發(fā)明提出了一種利用分層實體制造（ＬＯＭ）快速成型技術(shù)制造碳化硅陶瓷復(fù)合材料零件的工藝方法，其將快速成型技術(shù)易于制造形狀復(fù)雜零件的特點和反應(yīng)燒結(jié)碳化硅技術(shù)相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)工藝的缺陷，可以解決復(fù)雜形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)件制造難題。主要方法為：根據(jù)分層實體制造原理，以卷筒紙作為制件成型材料，以酚醛樹脂作為粘結(jié)劑，通過快速成型工藝制成原型，通過熱解工藝轉(zhuǎn)化為三維碳支架。然后進行高溫滲硅，硅在碳支架上進行原位反應(yīng)形成碳化硅陶瓷及其復(fù)合材料構(gòu)件。該方法實現(xiàn)了復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷構(gòu)件的無模制造。

利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝方法

一種利用分層實體快速成型制造碳化硅陶瓷零件的工藝方法，以紙和酚醛樹脂為原料，其特征在于，具體包括下列步驟：１）根據(jù)實際要求，構(gòu)造制件的三維數(shù)據(jù)模型，并將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為ＳＴＬ格式文件；２）用快速成型機自身的分層軟件做分層處理，并將處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入制造程序中；３）選用醇溶性的酚醛樹脂作為粘結(jié)劑，卷紙作為成型材料；４）用快速成型機制造出紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型；５）將紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型放入烘干箱中進行后期固化，烘干起始溫度為６０℃，每１０小時將溫度升高２０℃，直至溫度升到１２０℃時停止，取出進行碳化，得到紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型制件；６）將得到的紙質(zhì)前驅(qū)體快速原型制件放入氮氣氛熱解爐３中碳化，升溫速度：每小時１００℃，碳化溫度：８００℃～１０００℃，保溫時間為：１～２ｈ，然后隨爐冷卻至室溫取出，得到制件的三維碳支架；７）制件的三維碳支架放入石墨坩鍋２并用Ｓｉ粉４

包埋，硅與三維碳支架重量比為３∶１，然后放進真空高溫爐５中加熱，升溫速度：每小時６００℃，反應(yīng)溫度：１４５０℃～１５５０℃，保溫時間為：０．５～１ｈ，再升至１６５０℃，抽真空排Ｓｉ２０～３０ｍｉｎ，隨爐冷卻至室溫取出，即可獲得碳化硅陶瓷復(fù)合材料的成型制件。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造金屬鋼模具研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

1引言

作為快速原型技術(shù)之一的選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，SLS)成型技術(shù)已被用來制造模型、制件、模具等工業(yè)用品和生活用品。作為快速模具制造技術(shù)的一種加工手段，它在模具制造業(yè)更是得到青睞，所制造的模具類型主要有：熔模、消失模、精鑄模及型芯等鑄造用模具，以及注射模、壓鑄模等金屬鋼質(zhì)模具。制造的模具種類與它所采用的成型材料、成型設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)有關(guān)，如成型材料為石蠟粉、塑料(PS、ABS)粉，模具類型為熔模；成型材料為聚苯乙烯粉、聚碳酸脂粉，模具類型為消失模；成型材料為陶瓷粉，模具類型為精鑄模；成型材料為覆膜鋼粉、合金粉末，模具類型為注射模等。

在應(yīng)用SLS技術(shù)制造的模具中有一類為金屬鋼質(zhì)模具，它的特點是材料為金屬，具有很高的強度、硬度和使用壽命，在生產(chǎn)中被大量采用，此類諸如注射模、壓鑄模、沖壓模等類型。由于這螳模具的成型對象和工作條件不同，模具的結(jié)構(gòu)和性能要求相差也很大。如注射模的工作溫度不高，對模具的強度要求也不太高，但對模具型腔表面的硬度和表面質(zhì)量要求卻很高，要光潔、耐磨、耐腐蝕；壓鑄模的工作溫度高，瞬間壓力大，要抗高溫下的氧化與腐蝕、抗龜裂，對模具和模具型腔的強度、表面硬度和質(zhì)量要求都很高；沖壓模一般在常溫下工作，但對模具的強度、硬度、耐磨性、韌性要求都很高。

由此可以看出，不同的鋼模具在應(yīng)用SLS技術(shù)制造時很多方面都會有所不同，在這些鋼模具中，以注射模等制造塑料制品的模具，工作溫度為150～250℃，壓力為40～150MPa，

強度要求并不高，對材料自身的力學(xué)性能要求相對低些，降低了零件制造過程中的難度，最先有可能在應(yīng)用SLS技術(shù)制作金屬鋼模具領(lǐng)域取得突破，獲得成功。因此，國內(nèi)外在該研究領(lǐng)域所采取的步驟策略一般為先易后難，先對注射模的制造獲得成功取得經(jīng)驗后，再向其他金屬模具擴展延伸。至目前為止，應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造金屬鋼模具的研究已經(jīng)有了注射模和壓鑄模?，F(xiàn)將其的研究及應(yīng)用情況作一介紹，以便更好地了解這一技術(shù)。

2研究現(xiàn)狀

2.1SLS技術(shù)制造鋼模具的主要方法

應(yīng)用SLS技術(shù)制造鋼模具主要分為兩種方法：一類為間接金屬粉末激光燒結(jié)制模法。即用SLS工藝燒結(jié)用黏結(jié)劑包裹的金屬粉末，黏結(jié)劑熔化后將金屬粉末粘接在一起形成半成品，再將半成品升溫?zé)Y(jié)，黏結(jié)劑氣化并被去除得到鋼骨架半成品，再對黏結(jié)劑氣化后留下的空隙進行金屬熔滲處理得到成型模具型腔零件。這種制模方法的優(yōu)點是對成型設(shè)備的激光器功率要求低，只要使黏結(jié)劑熔化就可，目前市面上大多數(shù)成型設(shè)備的激光器功率為50W，都可以滿足此類方法的功率要求。其缺點是T藝過程相對復(fù)雜，用SLS工藝燒結(jié)出的半成品，還須在一定的條件下完成后面的工序燒結(jié)和滲金屬等程序，成型后的模具零件力學(xué)性能也不是很好，表面硬度低，精度相對低，成型效果受到各工序的影響?？梢杂脵C械加工的方法來進行彌補，模具耐用度不高，壽命達幾百件至幾萬件，只相當(dāng)于用傳統(tǒng)工藝加工的模具壽命的五十分之一。

另一類為直接金屬粉末激光燒結(jié)制模法。即用SLS工藝燒結(jié)純金屬粉末使其熔化粘接在一起形成模具型腔零件，再向其滲入適量樹脂，以減少零件內(nèi)部的孔隙，提高其的抗拉和彎曲強度。這種方法工藝簡單，但對SLS技術(shù)提出了更高的要求，設(shè)備方面需要大功率的成型設(shè)備以使被燒結(jié)的金屬粉末熔化，還須研制適宜燒結(jié)成型的金屬粉末材料。用這種方法獲得的模具零件力學(xué)性能好，表面硬度高，質(zhì)量好，精度好，壽命達幾百件至幾千萬件，接近用傳統(tǒng)工藝制造的模具工作性能，而且適應(yīng)范圍廣泛的各種金屬鋼質(zhì)模具的制造，是公認(rèn)的在金屬制造領(lǐng)域SLS最有前途的一項技術(shù)，受到國內(nèi)外許多研究單位的關(guān)注和重視，并因而對此展開了各項研究。

2.2粉末材料的研究

SLS技術(shù)可制作金屬鋼模具主要在于它的成型粉末材料可以用金屬來制成，那么是不是把現(xiàn)有的金屬模具類用材料制成粉末用在SLS技術(shù)中就可以制造金屬鋼模具了呢?回答是否定的。金屬模具用材料大都為合金類鋼材，熔化溫度高，且熔化是在一個溫度區(qū)間進行的，區(qū)間的大小對合金粉末的燒結(jié)帶來不同的影響，一次燒結(jié)，只有部分合金粉末熔化，如果組元過多，燒結(jié)工藝就變得復(fù)雜，不能實現(xiàn)SLS工藝的燒結(jié)成型，因而需要研制符合SLS技術(shù)的金屬粉末材料。

已有的研究表明，低熔點的單一金屬粉末用SLS燒結(jié)時，熔化的粉末在未熔化的粉末上形成多個直徑較小的液球，容易移動，使成型難以控制，精度很差，這樣成型出來的零件沒有任何實用價值，因而已排除了對單一金屬粉末進行燒結(jié)的研究。對兩種材料以上的金屬粉末進行的研究表明，用SLS技術(shù)可以實現(xiàn)較好的成型及精度控制，只是在材料的選擇上會對燒結(jié)所需要的溫度提出不同的要求，這反映在對激光器功率的要求上也不同。其中一種材料的熔點溫度較低，也就是間接制模法常用的材料。材料的熔點溫度都很高，則通常是直接制模法常用的材料。

間接制模法材料的研發(fā)以美國DTM公司為代表，先后開發(fā)出的RapidSteel系列覆膜鋼粉，采用熱塑性聚合物為黏結(jié)劑來預(yù)包裹低碳鋼粉或不銹鋼粉，經(jīng)SLS燒結(jié)后，再滲入銅，制作出了注射模和壓鑄模。該公司最新研制的LaserFormA6型材料，使成型模具零件在強度、表面硬度、工作壽命等方面都有較大改進。還有壽命不長但后處理工藝更簡單、成型精度更好、制造周期更短的CopperPolyamide型材料等。我國的中北大學(xué)也正在研發(fā)覆膜金屬

粉。此外，國外對黏結(jié)劑的研發(fā)有用熱塑性聚合物材料的，如PC、PVC、尼龍等。也有用低熔點金屬的，如錫等。以及熔點在1000％左右的金屬如青銅、鎳、不銹鋼、銅等。結(jié)構(gòu)材料則用低碳鋼、不銹鋼、銅、陶瓷和工具鋼等。

直接制模法材料的研發(fā)主要以瑞典Electrolux公司為代表，先后開發(fā)出DirectMetal系列合金粉末和DirectSteel系列合金粉末兩大類。DirectMetal合金粉末含有75％青銅、20％鎳和5％磷，激光燒結(jié)時產(chǎn)生的孔隙率大于20％，因而要滲入樹脂類材料或者是低熔點金屬使成型零件組織致密、強度提高。DirectSteel系列合金粉末主要有鋼、青銅和鎳組成，有3種型號，此類粉末經(jīng)SLS直接燒結(jié)后，內(nèi)部組織致密，具有一定的強度和表面硬度，較好的精度和表面質(zhì)量，無須進行熔滲后處理工序，已經(jīng)制作出了注射模和壓鑄模。我國目前還未進行此類材料的研究。

2.3成型設(shè)備的研究

無論采用哪種制模方法，都離不開成型設(shè)備的支持。從1992年世界上第一臺SLS成型設(shè)備誕生之日起，它的進步速度也是相當(dāng)驚人的，國外美國的3DSystems公司、DTM公司、德圍EOS公司，國內(nèi)的北京隆源公司、華中科技大學(xué)等，先后開發(fā)出了多種型號的SLS成型設(shè)備，并且進行了商品化的生產(chǎn)和推廣運用，獲得許多商家的認(rèn)可和使用。

這些成型設(shè)備的工作原理和基本構(gòu)成大致相同，主要技術(shù)參數(shù)有成型尺寸、成型精度、激光功率等。其中，激光功率是SLS燒結(jié)工藝中的一個重要技術(shù)參數(shù)，也成為間接制模法和直接制模法選擇SLS設(shè)備首要考慮的技術(shù)指標(biāo)。功率高，在激光作用區(qū)域內(nèi)能量密度大，粉末材料熔化更充分，孔隙率降低，成型零件的組織致密度也增加，強度提高。特別是由于金屬粉末材料自身的熔點一般都較高，需要與之相適應(yīng)的功率匹配來進行燒結(jié)。按功率又把SLS設(shè)備分為大、中、小3種功率，3DSystems公司的激光器功率為25W、100W，DTM公司、北京隆源公司、華中科技大學(xué)等，其所研發(fā)生產(chǎn)設(shè)備的激光器功率都為50W，德國EOS公司的激光器功率分別有50W、100W和200W，其中25W、50W分屬小功率，100W為中等功率，200W則為大功率。除了25W外，其它功率的成型設(shè)備可以用來燒結(jié)金屬粉末材料，50W、100W用來燒結(jié)熔點溫度相對低一些的間接制模法所用粉末材料，200W則用于熔點溫度較高的直接制模法所用粉末材料。

隨著粉末材料的開發(fā)，有采用熔點溫度較高材料的趨勢，對大功率成型設(shè)備的需求會增加。因此，提高功率也成為今后SLS設(shè)備研發(fā)工作的一個重要內(nèi)容。主要技術(shù)有采用大

功率的CO

2激光器，或者是YAG型高功率同體激光器。由于CO

2

激光器的研究在技術(shù)上比較

成熟，因而一般首選CO

2激光器，故前面所提到的SLS成型設(shè)備都選用的是CO

2

激光器，隨

著YAG型固體激光器技術(shù)得到突破，它的功率高，波長短，金屬對它的吸收率大，也成為又一種可選擇的激光器。

此外，由于高溫?zé)Y(jié)對金屬材料的氧化腐蝕明顯。產(chǎn)生的煙霧也大，因而要充人惰性氣體保護燒結(jié)部位免遭污染，同時將煙霧及時抽出，相關(guān)的隔離、密封、除塵、降溫等技術(shù)都需要對設(shè)備的工作型腔和排煙除塵系統(tǒng)進行改進或重新設(shè)計，使之建立起在高溫?zé)Y(jié)和凝固結(jié)晶狀態(tài)下所需的工作環(huán)境條件，保證成型效果。

2.4燒結(jié)工藝的研究

為使成型零件獲得預(yù)期的效果，必須對燒結(jié)過程進行控制。除了材料、設(shè)備方面提供必要的條件外，一些燒結(jié)工藝參數(shù)的控制尤為重要，如激光束的光斑直徑大小、掃描速度、掃描間隔、掃描的粉層厚度等，都會影響到材料在熔化和凝固結(jié)晶的過程，從而直接影響成型零件的精度、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、表面物理化學(xué)性能等。研究的方向主要集中在建立起可供選擇的方案和參數(shù)模塊，用戶根據(jù)需要從中選取某一方案及參數(shù)，并可對其進行更改和調(diào)整，從而使成型零件達到很好的制造效果。目前這一技術(shù)主要由成型設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)廠家來進行研究，隨設(shè)備提供服務(wù)，由于缺少實際經(jīng)驗的積累，很不完善，大多作為參考推薦使用。

3該技術(shù)的應(yīng)用及其影響

在金屬鋼模具的制造