模具设计与制造毕业论文1

江西工业工程职业技术学院论文（设计）江西工业工程职业技术学院毕 业 论 文题目 模具快速成型技术学生姓名 张晨波院 系 机电工程系专 业 模具设计与制造级 别 模具057班指导教师 朱江峰江西工业工程职业技术学院任务书姓名：张晨波专业：模具设计与制造级别：模具057题目：模具快速成型技术一、论文的主要内容本论文主要阐述了快速成型技术的发展背景，技术原理和特点及应用范围。从中详细地介绍了几种典型的快速成型技术，包括它的工艺原理、工艺过程、系统构造及发展现状。二、论文设计的目的和意义毕业设计（论文）是教学计划中的一个重要有机组成不分，是高等院培养学生创新精神和实践能力的重要教学环节，是对学生经行综合的技术应用能力训练，是培养学生综合应用所学基础理论、基本理论、专业知识和专业技能，联系生产及科研实际完成某一项课题，全面检验学生分析解决实际问题的能力。通过毕业设计（论文）工作，使学生受到必要的综合训练，在一定程度上提高学生的各种能力，如调查研究的能力、检索与阅读中外文献的资料，经行理论分析，制定总体方案能力，综合分析和总结报告的能力等。是学生走向工作岗位的一次“实战演习”。三、论文的要求1、学生应在指导老师的指导下，刻苦专研，实事求是，按时独立完成毕业设计（论文）任务书虽规定的全部任务，不得弄虚作假或抄袭。2、在设计（论文）工程中，要认真查阅资料和收集技术数据，以严谨的求学态度对待该项工作；3、毕业设计（论文）要提供电子稿和纸制清样（打印稿A4纸）。语言要简练通顺，图纸（图标）要规范、整洁、无误；四、论文的时间安排 1、起止时间：2007年11月上旬至12月下旬 2、论文提纲：11 月1日之前2、初稿时间：11月1日12月10日 3、二稿时间：12月10日12月20 4：定稿时间：12月21日12月30指导教师签名摘 要分析和介绍了快速成型技术的原理和特点和快速成型技术的未来发展趋势。详细地介绍了几种典型快速成型技术的工艺原理、工艺过程及应用范围，指出快速成型技术的应用并简述了模具快速成型技术的一些特点及其应用范围。关键词 快速成型技术 原理 特点 发展趋势目录摘 要III关键词III引言V第1章 快速成型技术的概论61.1快速成形技术产生的背景61.2我国RP研究工作起步时期61.3国内RP开始商品化并推广应用6第2章 快速成型技术的内涵及技术特点82.1 快速成型技术的内涵82.2快速成形原理及特点82.3 快速成型技术的技术体系82.4 新旧两种成型方法8第3章 快速成型制造的几种典型工艺103.1 熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）103.2 叠层实体制成型（Laminated Object Manufacturing，LOM）123.3 立体光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）133.4 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）17第4章 快速模具制造技术204.1 快速模具制造历史背景204.2 快速模具的制造及应用20结论24致谢25参考文献26引言在现代化工业生产中，6090的工业产品需要使用模具加工，模具工业已经成为制造业中的一项基础工业，是技术成果转化的手段，同时又是高新技术产业的重要领域，在欧美等工业发达国家被成为“点铁成金”的“磁力工业”。我国模具权威人士称之为“模具是印钞机”。可见模具工业在世界各国经济发展中具有重要的显著地位。 当前，产品制造业呈现如下发展趋势：1生产、经营及市场全球化；2用户需求个性化、多样化；3产品生命周期短，更新换代加速；4产品技术高科技化；5市场竞争激烈化。据统计，我国新产品的平均开发周期为18个月，产品的生命周期为10.5年。而美国1990年已实现“3个3”，即产品的生命周期为3年，产品的试制周期为3个月，产品的设计周期为3周。因此，制造企业要想在21世纪求得生存和发展，就必须面对这一新的形势，不断研究或引进新的技术。 过去，传统的零件成型方法是采用多种机械加工机床，以及刀具和模具，还要有高水平的技工，成本高，制造周期往往长达几星期，甚至几个月，不能适应新产品的更新。为克服上述问题，近几年来开发成功了快速成型制造技术和相应的快速成型机。它是利用激光等物理方法，向用户提供物理模型和快速修改设计方案，从而大大减少了新产品开发前期的时间和费用。快速成型技术不受零件几何形状的限制，能够制造出常规加工技术无法实现的复杂几何形状零件的建模。它能帮助设计者快速实现设计方案并寻找出原设计方案的不足或疏漏之处，及时修改使之完善，节省了大量的试模时间；同时，它还能使生产销售与用户之间的距离缩短，这是因为快速成型技术能及时按用户的要求建立产品模型，使设计出的产品更直观更具有可加工性和更能为客户所接受，从而提升了企业的市场竞争能力。因此，快速成型技术广泛应用于航空航天、汽车、电子、通讯、医疗、建筑、家电、玩具、家具、日用五金及工艺品制作等众多领域。28第1章 快速成型技术的概论1.1快速成形技术产生的背景快速原型（Rapid Prototyping，RP）技术，又称快速成形技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。Charles W. Hull 在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stereolithography Apparatus(SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，Charles W. Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司。与此同时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984年Michael Feygin提出了薄材叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生C. Deckard提出了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。Scott Crump在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，除前述几种外，典型的还有3DP等。但是，SLA、LOM、SLS和FDM四种技术，目前仍然是RP技术的主流。1.2我国RP研究工作起步时期快速原型是继60年代NC技术之后制造领域的又一重大突破，是先进制造技术群中的重要组成部分。它综合运用计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。快速原型与制造技术的推广应用将明显缩短新产品的上市时间，节约新产品开发和模具制造的费用。美国、日本及欧洲发达国家已将快速成形技术应用于航空、宇航、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型（雕刻）、建筑模型、机械行业等领域。而我国RP研究工作起步于90年代初。刚开始时技术引进较多，1994年以来，我国已有20几家企业或机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的经济效益。但由于引进价格昂贵，如美国3Dsystem公司生产的SLA250系统售价20万美元，SLA500价格高达40万美元，加之材料也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内企业无法承受的。1.3国内RP开始商品化并推广应用为了解决中国制造业对RP的迫切需求，1991年以来，在中国政府资助和支持下，一些高等院校和研究机构积极开展RP研究，并取得较大的进展。我国最早在快速成型技术方面开展工作的有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源自动成形系统有限公司。这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重。1992年，清华大学引进了当时先进的SLA-250光固化成形设备，成立了激光快速成形中心,开展快速成形技术的研究。研制出世界上最大的LOM双扫描成形机，已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速造型系统MRPMS已打入国际市场，自主开发的大型挤压喷射成形RP设备SSM1600SSM成形尺寸已达1600 800 750mm3，也居世界之首。西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，并因此获2000年度国家科技进步二等奖和教育部科技进步一等奖。华中理工大学从1991年开始，在政府的支持下开始进行RP技术研究，1994年开发成功LOM样机，到1997年就向市场推出商品化的LOM成型设备。目前，该单位已对LOM设备进行了系列化的开发，同时还成功地推出商品化的SLS设备。该校还利用复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。研究成果已经商品化的还有北京隆源公司开发的AFS 300激光快速成形机（SLS），该公司的RP服务中心已为工业企业单位制作了许多精密铸模。此外，南京航天大学、上海交通大学、华北工学院等在该领域也做了许多工作。例如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。目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，材料的价格更加便宜。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国RP技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经济的发展做出了贡献。快速成形技术是一种具有广泛应用前景的正在不断完善的高新技术。随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展，发挥越来越重要的作用，并将给企业带来巨大的经济效益。同时，快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展，也将推动相关技术、产业的发展。第2章 快速成型技术的内涵及技术特点2.1 快速成型技术的内涵与传统的去除成形不同,快速成型技术是一种离散)堆积的成形过程。这种加工过程可分为前期数据处理(离散)和物理实现(堆积)，在离散过程中,将三维形体的CAD模型沿一定方向分解,得到一系列截面数据,再根据各自具体的工艺要求,获得控制成形头运动的轨迹;在堆积过程中,成形头在运动轨迹的控制下,加工出层片,并将层片与层片堆积!连接,重复上述2个过程,加工出零件。2.2快速成形原理及特点快速成形技术(快速原型技术，RP技术)是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)材料增加成形(MAP)技术以及它们的集成。通俗地说，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。快速成型技术有以下特点： 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用； 原型的复制性、互换性高； 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优； 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上； 高度技术集成，可实现了设计制造一体化；2.3 快速成型技术的技术体系一个比较完整的快速成型技术的技术体系(见图2-1)包含CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造以及物性转换等基本环节。图2-12.4 新旧两种成型方法快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期出现的一种高新技术。它以增材制造法一次成型复杂的零部件或模具，堪称制造领域人类思维的一次飞跃，也被称为自数控技术以来的又一次革命，尤其对模具工业的发展起到了极大的推动作用。快速成型是汇集了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数字控制、精密伺服驱动和新材料等诸多工程领域的先进成果，根据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择地切割一层层的纸，形成各截面轮廓并逐步叠加成三维产品。解决了传统加工方法中的许多问题，它的出现代表着生产工程的又一突破。快速成型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”加工方法（部分去除大于工件的毛坯上的材料，而得到工件），采用全新的“增大”加工方法（用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件），将复杂的三维加工分解成简单二维加工的组合。因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法3050的工时和2535的成本，就能直接制造产品样品或模具。 图2-2表示新旧两种成型方法的流程图。 a）传统加工 b）快速成型图2-2第3章 快速成型制造的几种典型工艺3.1 熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制熔融堆积成型喷嘴移动轨迹的二维几何信息。加热头把热熔性材料（ABS、尼龙、石蜡等材料）加热到临界半流动状态，在计算机控制下，喷嘴头沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹挤出半流动的材料，沉积固化成精确的零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。3.1.1工艺原理FDM工艺称为熔融沉积制造，这种方法不使用激光，而是用一种加热的喷嘴，将材料一层层地堆积起来。其工艺过程是以热塑性成型材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需几个小时即可成型，且无污染。可用于办公室环境。其原理图如图3-1所示。图3-1熔融堆积成型（FDM）原理示意图3.1.2 系统组成 机械系统EM-250 机械系统包括运动、喷头、成型室、材料室、控制室和电源室等单元。其机械系统采用模块化设计，各个单元相互独立。如运动单元只完成扫描和升降动作，而且整机运动精度只决定于运动单元的精度，与其他单元无关。因此每个单元可以根据其功能需求采用不同的设计。运动单元和喷头单元对精度要求较高，其部件的选用及零件的加工都要特别考虑。电源室和控制室需要具有防止干扰和抗干扰功能，应采用屏蔽措施。基于PC总线的运动控制卡能实现直线、圆弧插补和多轴联动。PC总线的喷头控制卡用于完成喷头的出丝控制，具有超前和滞后动作补偿功能。喷头控制卡与运动控制卡能够协同工作，通过运动控制卡的协同信号控制喷头的启停和转向。制造系统配备了三套独立的温度控制器，分别检测与控制成型喷嘴、支撑喷嘴和成型室的温度。为了适应对控制长时间连续工作下高可靠性的要求，整个控制系统采用了多微处理机二级分布式集散控制结构，各个控制单元具有故障诊断和自修复功能，使故障的影响局部化。由于采用了PC总线和插板式结构，使系统具有组态灵活、扩展容量大、抗干扰能力强等特点。图3-2该系统关键部件是喷头，这里以上海富力奇公司推出的TSJ系列快速成型机（如图3-2所示）为例介绍了一下喷头的结构。喷头内的螺杆与送丝机构用可沿R方向旋转的同一步进电动机驱动，当外部计算机发出指令后，步进电动机驱动螺杆，同时，又通过同步齿形带传动与送料辊将塑料丝送入成型头，在喷头中，由于电热棒的作用，丝料呈熔融状态，并在螺杆的推挤下，通过铜质喷嘴涂覆在工作台上。 软件系统软件系统包括几何建模和信息处理两部分。几何建模单元是由设计人员借助CAD 软件，如 Pro-E、AutoCAD 等构造产品的实体模型或由三维测量仪（ CT、MRI 等）获取的数据重构产品的实体模型。最后以 STL 格式输出原型的几何信息。信息处理单元由 STL 文件处理、工艺处理、数控、图形显示等模块组成，分别完成 STL 文件错误数据检验与修复、层片文件生成、填充线计算、数控代码生成和对成型机的控制。其中，工艺处理模块根据 STL 文件判断制件成型过程中是否需要支撑，如需要则进行支撑结构设计，然后对 STL 分层处理。最后根据每一层的填充路径设计与计算，并以 CLI 格式输出产生分层 CLI 文件。信息系统是在 Pentinm 微机上用 VisualC +开发的，系统界面采用窗口、菜单、对话框等方式输人输出信息，使用十分方便。 供料系统MEM-250 制造系统要求成型材料及支撑材料为直径 2mm的丝材，并且具有低的凝固收缩率、陡的粘度温度曲线和一定的强度、硬度、柔韧性。一般的塑料、蜡等热塑性材料经适当改性后都可以使用。目前已成功开发了多种颜色的精密铸造用蜡丝、ABS 材料丝。3.2 叠层实体制成型（Laminated Object Manufacturing，LOM）它是将单面涂有热溶胶的箔材（涂覆纸涂有粘接剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等）通过热辊加热粘接在一起，使激光束在片材平面内沿确定轨迹扫描而形成平面模型。平面模型逐层堆叠在并在滚压辊的滚压下粘接逐步形成整体物理模型，去除废料后即成型；废料部分切成网络是为了便于消除。3.2.1 工艺原理LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，其工艺过程是由加热辊筒将薄形材料(如纸片，塑料薄膜，复合材料或金属等)加热联结，待加热辊筒自动离开后，再由激光将薄形材料截切成层面要求形状(二维切片)，如此重复一层层叠加生成任意复杂形状的实体。该工艺工艺优点是无须设计和构建支撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件的内应力和翘曲变形小；制造成本低。缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。其原理图如3-3所示。图3-33.2.2 系统组成在此以新加坡Kinergy公司开发、生产的一种ZIPPY型薄形材料选择性切割成型机为例对 LOM 系统组成加以介绍。它由计算机、原材料存贮及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架等组成。控制系统与控制软件：数控系统基本的控制对象为材料送进（R轴）、热压辊移动（ H 轴）、扫描与切割（X轴、Y轴）、工作台（Z轴）、温度控制、激光能量控制等。这是一个两级控制系统，由此产生了上、下位机。第一级的下位机负责完成运动轴开闭环控制及信息反馈。这里实时切片厚度参数由智能模板CPU完成，并且由两块智能化控制模块负责五轴伺服控制。第二级的上位机用于整个数控系统的集中管理，由工业控制计算机完成动态仿真、适时切片、键盘管理、信息处理、参数设置与显示，并向控制计算机发送切片数据及控制命令。在其计算机中配有如下控制软件： STL 格式文件的纠错和修补软件。它能标识读人 STL 格式文件中三角形的错误，并由操作者加以修改。 三维模型的切片软件。它能对三维模型的别 STL格式文件，沿成型的高度方向，每隔一定的间隔，自动提取截面的轮廓边界的信息。 激光切割速度与切割功率的自动匹配软件。它能根据激光的瞬时切割速度自动调节激光的输出功率，以便在保证高切割质量的前提下，有较高的生产率，使得在快速切割直线时有足够的切割功率，能恰好切透一层材料切割画弧时不会因切割功率过大而烧糊工件。 激光光束宽度（即切口宽度）的自动补偿软件。它能自动决速识别截面的内、外轮廓的边界，根据激光的光束宽度（0.10.2mm） ，控制切割头，相对理论内、外轮廓的边界，自动向内或向外偏移半个光束宽度（0.050.1mm） ，从而保证实际切得的轮廓边界与理论轮廓边界相重合。3.3 立体光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）它是利用激光束在液态光敏树脂内沿确定的平面运动轨迹扫描，由点到线到面，使被扫描区的树脂薄层产生聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在原先固化好的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂以便进行新一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。立体光固化成型是第一个投入工业应用的快速成型技术，其特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将接近100，可以制造形状特别的复杂（如空心零件）、外观特别精细（如首饰、工艺品等）的零件。3.3.1 工艺原理SLA工艺也称光造型或立体光刻其工艺过程是以液态光敏树脂或丙稀酸树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹并照射到液槽中的液体树脂上而固化一层树脂，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行新一层的扫描，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，得到一个三维实体模型。其工作原理图如图3-4所示。图3-4该工艺的特点是精度高，生产零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法，缺点是清洗和养护等后处理工序较费时。3.3.2 系统组成通常立体光固化成型系统由激光器、X-Y运动装置或激光偏转扫描器、光敏性液态聚合物、聚合物容器、控制软件和升降工作台等部分组成。光学部分紫外激光器：激光器大多是紫外光式。一种是传统的如氦锅（He-Cd）激光器输出功率为1550mw，输出波长为325nm。而氢离子（Argon）激光器的输出功率为100500mW，输出波长为351365nm。这两种激光器的输出是连续的，寿命约为2000h。另一种是固体激光器，输出功率可达500mW或更高，寿命可达5000h，且更换激光二极管（LaserDiode）后可继续使用，相对氦锅激光器而言更换激光二极管的费用比更换气体激光管的费用要少得多。另外共形成的光斑模式好有利于聚焦，但由于固体激光器的输出是脉冲的为了在高速扫描时不出现断线现象必须尽量提高脉冲频率。综合而看固体激光器是发展趋势。一般激光束的光斑尺寸为0.053.00mm激光位置精度可达0.008mm，重复精度可达0.13mm。激光束扫描装置：数控的激光束扫描装置有两种形式。一种是检流计驱动式的扫描镜方式，最高扫描速度可达15m/s，它适合于制造尺寸较小的高精度原型件。另一种是X-Y绘图仪方式，激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂直，这种方式能获得高精度、大尺寸的样件。树脂容器系统 脂容器 盛装液态树脂的容器由不锈钢制成，其尺寸大小取决于立体光固化成型系统设计的最大尺寸原型或零件通常为20200l。液态树脂是能够被紫外光感光固化的光敏性聚合物。 降工作台 带有许多小孔洞的可升降工作台在步进电动机的驱动下能沿高度Z方向作往复运动。最小步距可达0.02mm以下，在225mm的工作范围内位置精度为0.05mm。 涂层装置这一部分主要是使液态光敏树脂能迅速、均匀地覆盖在已固化层上面保持每一层片厚度的一致性从而提高原型的制造精度。由于光固化树脂的表面张力，薄层树脂的涂敷是一个比较困难的问题表现为大平面涂不满、涂层不均和产生气泡。新近推出的成型机采用吸附式涂层（Recoating）机构（如图3-5所示）图3-5（吸附式涂层机构）树脂在表面张力的作用下，吸附槽中充满树脂。当刮板进行涂刮运动时，吸附槽中的树脂会涂到已固化的树脂表面，同时树脂会在槽中运动从未固化部分吸附树脂并向已固化部分补充。设置适当的速度可使较大的区域得到涂敷。涂层机构中的前刃和后刃可以很好地消除树脂中产生的气泡。智能涂层技术根据每一层的面积决定涂层方式，面积较小的仅采用刮涂方式。面积超过设定值时采用浸没和刮涂相结合。所谓“浸没”是让已固化的原型在树脂槽中下降一定距离让槽中的树脂充分漫过固化区域再上升到表面。数控系统和控制软件：数控系统和控制软件主要由数据处理计算机、控制计算机以及CAD接口软件和控制软件组成。数据处理计算机主要是对CAD模型进行面化处理使之变成适合于立休印刷成型的文件格式（STL格式）然后对模型定向切片。控制计算机主要用于X-Y扫描系统、Z方向工作平台上下运动和重涂层系统的控制。CAD接口软件的功能包括确定CAD数据模型的通信格式、接受CAD文件的曲面表示、设定过程参数等。控制软件用于对激光器光束反射镜扫描驱动器、X-Y扫描系统、升降工作台和重涂层装置等的控制。从CAD摸型到快速成型制造系统的数据转换路径大多采用将摸型转换为三角形表示的多面体然后再分层的方法应注意ST文件的接口软件与不同的数控系统提供的STL接口界面在性能上的差异。光敏聚合物的固化速率与单位面积激光功率供给量直接相关。为使固化均匀，要求控制系统保证恒功率扫描。控制系统的核心部件是激光束扫描器它由两个检流计驱动的反射镜来控制激光束进行X及Y方向的扫描运动，达到很高的扫描速度（2502540mm/s）。由于激光束斜射造成的激光点尺寸变化会极大地影响该点激光功率的分布即影响激光功率的单位供给量，为此需要一个微定位器控制的聚焦透镜进行变焦。聚焦透镜的移动控制必须与调节轴的检流计保持同步，以使激光束焦点保持在树脂液面上。透镜对改变扫描线宽或填充大的区域也有重要作用。同时，需要调整扫描速度或激光功率，以补偿变焦引起的功率密度变化。反射镜偏转角一个，因而扫描器应采用闭环控制。激光束的控制开关必须保证在非加工动作时遮断光束，此时决门的速度影响着扫描迹线的精度。需要测量激光的功率以确定每层的扫描速度，还需要掌握树脂的变形特点，以确定补偿参数。3.3.3 工艺过程立体光固化成型工艺步骤包括模型设计、切片、数据准备、生成模型和后固化等。在实际操作中，无论在哪一步发现问题，都可以终止操作，返回上一步骤重新进行。具体工艺如下：模型设计：体光固化成型工艺第一步是在三维CAD造型系统中完成原型的设计。所构造的三维CAD图形既可以是实体模型，也可以是表面模型，这些模型应具有完整的壁厚和内部描述功能。第二步是把CAD存储的文件转换成立体光固化成型所要求的标准文件（STL文件）格式，并以此作为切片计算机的输入文件。模型切片和数据准备：STL格式的文传送到立体光固化成型系统的数据处理计算机中。首先对STL模型文件进行检查和修复，并优化选择制作方向，以便能方便地构造物体。由于成型过程中存在着液体树脂固化成型时体积收缩而造成内应力，而且对模型中的悬垂部分与底面需要添加制作基础，这就需要合理的设计支撑，来保持原型在制作过程中的稳定比和精确定位进而保证原型的成功制作。支撑设计方法常用的有两种，一是基于STL模型直接设计支撑，输出支撑STL文件与零件STL模型合并后一起进行分层处理；另一种是在分层截面轮廓上设计支撑结构。支撑结构的设计需要在计算机上单独生成。利用分层软件选择参数，将模型分层，得到每一薄片层的平面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描轨迹。这一过程还包括切片层厚度的选择、建造模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值和收缩补偿因子的选择，分层参数的选择对造型时间和模型精度影响很大，常在二者之间经过试验取得平衡。三维实体建造：段是指光敏树脂开始聚合、固化到一个原型完成的生成过程。SLA成型过程：开始时，可升降工作台托板的上表面处于液面下一个截面层厚的高度（通常为0.1250.75mm)，该层液态光敏聚合物被激光束扫描而发生聚合固化，并形成所需第一层固态截面轮廓后。工作台托板下降一层高度，液槽中的液态光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层，刮刀按照设定的层高作往复运动，刮去多余的聚合物，再对新铺上的这一层液态聚合物进行扫描固化，形成第二层所需固态截面轮廓，新固化的一层能牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个制件成型完毕。后固化及处理过程当原型在激光成型系统中生成后，控制升降工作台托板从容器中升起，从工作台上取出模型并进行清洗，之后进行检验及后处理。此时，原型中尚有部分未完全固化的树脂，必须再用强紫外光照射，使之完全硬化。清洗过程中去除多余的液态树脂，然后放在后固化装置的转盘上进行完全固化，以满足所要求的机械性能。对于尺寸较大的原型，这是快速固化的有效手段。另外，原型是逐层硬化的，层与层之间不可避免地会出现台阶，必须去除。在造型结束后，原型的支撑也必须除去并进行修整，对要求较高的原型还需进行喷砂处理。3.3.4 趋势现状目前研究SLA方法的有3Dsystem公司、EOS公司、F&S公司、C-MET公司、D-MEC公司、TeijinSeiki公司、MitsniZosen公司、西安交通大学和中国科学院沈阳自动化所等。其中该技术的开拓者是美国3Dsystem公司，其制造系统统称为stereolitho-graphyApparatus，简称SLA系统，该公司对如何提高制件精度及激光诱导光敏树脂聚合的化学、物理过程进行了深人的研究，并提出了一些有效的制造方法。其设各自1988年推出SLA-250机型以后，又于1997年推出SLA-250HR、SLA-3500、SLA-5000三种机型，1999年又推出了SLA-7000，随后又推出了VipersSLA系统，在技术上有了长足进步。其中SLA-3500和SLA-5000使用半导体激励的固体激光器扫描速度分别达到2.54m/s-5m/s，成型层厚最小可达0.025mm，扫描速度可达9.52m/s，成型空间可达508mmx508mmx600mm，成型质量更好成型速度更快同时有效地减少后续处理时间。ViperSLA系统具有标准成型和高梢度成型两种成型方式标准成型方式可达到质量与成型时间的平衡高梢度成型方式适合于细小零件的制作。这两种模式的实现来源于一个独特的数字处理器对激光聚焦扫描系统的控制。该系统特别适合制作垂直薄壁件的制作。该公司还采用了一种称之为ZephyerRecoat-ingSystem的新技术，即在每一成型层上用一种箕举吸附式刮板在该层上涂一层0.050.1mm的待固化树脂，使成型时间平均缩短了20。此外，许多国家的公司、大学也开发了商业制造系统并商用化如日本三菱商社下属的C-MET公司研制的SOUP系统，日本三井造船公司的COIAMM系统，日本帝人精制公司的SOLIFORM系统杜邦公司开发了基于SLA技术的名叫SOMOS的技术，并向TeijinSeiki公司发放了在亚洲独家使用其技术的许可证，然后1995年杜邦公司又向Aaroflex公司发放了在北美和其他一些有选择的国家独家使用其技术的许可证。其他一些公司LightSculping公司，SparxAB公司，Laser3D公司都开发井介绍了各自的RP系统，但在RP行业中都未产生任何大的商业方面的冲击。国内外研究者在SLA技术的成型机理、控制制件变形、提高制件精度等方面进行了大量研究日本帝人精制公司开发的SOllFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。使用光敏树脂固化工艺进行微型制造是另一个有意义的发展。日本KyushuInstituteofTechnoloy使用5um光斑的紫外光，定位精度达到1um；用消失模铸造的方法生产出聚合物与金属混合的零件，零件大小约为50um。SLA成型技术的材料主要有四大系列Ciba公司生产的CibatoolSL系列、杜邦公司的SOMOS系列、Zeneca公司的Stereocol系列和瑞典RPC公司的RPCure系列。CilatoolSL系列有以下新品种：用于SLA-350的CilatoolSL-5510，这种树脂可以达到较高的成型速度和较好的防潮性能，还有较好的成型精度；CilatoolSL-5210主要用于要求防热、防湿的环境如水下作业条件。SOMOS系列也有新品种SOM0S8120。该材料的性能类似于聚乙烯和聚丙烯，特别适合于制作功能零件也有很好的防潮防水性能。日本方面打破了SLA技术使用紫外光源的常规，在日本化药公司开发新型光敏树脂的协作下由DenkenEngineering公司和AUTOSTRADE公司率先使用680nm左右波长的半导体激光器作为光源，大大降低了SLA设备的价格。特别是AUTOSTRADE公司的EDARTS机型，采用一种光源从下部隔着一层玻璃往土照射的约束液面型结构，使得该设备价格降到了约人民币22万元左右。在提高制品精度方面，DeMontfort大学发展了一种称之为MeniscusSmoothing的技术，旨在降低制件表面粗糙度。Clemson大学开发了一种旋转工件造型平台可消除分层造型中的台阶问题。国内的西安交通大学推出了LPS、SPS和CPS系列SLA成型机和相应的光敏树脂，SPS的扫描速度最大可达7m/s、LPS的扫描速度可达2m/s，最大成型空间可达600mmx600mmx500mm。该产品的涂层系统针对不同材料与结构可调整回流量从而有效地改善涂层质量；采用了矢量扫描路径优化方法省去AOM降低了成本；采用的YLSF成型工艺，大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型件制作质量。另外CPS成型机采用了紫外灯作为成型光源设备价格低运行费用也极低（只有LPS机型的l/5），是一种经济型设备。另外西安交通大学在1996年提出了一种高效低成本的光固化快速成型方法。以紫外灯为廉价的光源利用一簇光纤将光引到扫描光条上。光纤在扫描光条上横向排列，光条运动各条光纤上的光开关根据图形扫描信息有序开断，从而在光固化树脂液面上扫描出一个固化层。扫描条每运动一次就可形成一个层面从而大大提高了成型效率。日本大阪Sangyo大学的YojiMarutani描述了一个新的立体光成型技术。它是将激光光束通过一个管子直接插人到光敏树脂槽中，管子可在水平方向上自由运动。为了在光固化时防止树脂流人管子而将工件与管子枯到一起可在管子中充人空气，控制气压在管口部形成气泡将管子端口与工件分离开，激光通过管子中的透镜聚焦在工件上进行逐层加工。这种方法可以节省通常的光固化成型的再涂层装置与工艺节约加工时间，提高加工效率。英国诺丁汉（Nottingham）大学的一个科研小组提出了一种对光固化成型表面修整的方法，可减小制件的表面粗糙度值。在扫描完一层后，托板上升一个层厚在层之间的台阶上还会吸附部分树脂，由于表面张力的作用，吸附的这部分树脂把台阶之间的空隙填充了起来再用激光照射使其固化就可以填补台阶，将零件表面光顺起夹从而减小制件的表面粗糙度值。总之，目前立体印刷成型工艺稳定，尺寸精度较高，可达0.2%。3.4 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）该技术以CO2激光器为能量源，通过红外激光束使塑料、石蜡、陶瓷和金属（或复合物）的粉末材料均匀地烧结在加工面上。激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处，粉末烧结成一定厚度的实体分层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。根据物体截层厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平台，开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去除多余粉末，经修磨、烘干等处理后获得零件。表3.4-1列出四种快速成型方法的特点及常用材料。表3.4-1 四种快速成型方法的特点及常用材料成型方法零件成型速度制造成本常用材料大小复杂程度精度熔融堆积成型中小件中等较低0.10.2mm较慢较低石蜡、塑料、低熔点金属等叠层实体成型中大件简单或中等较高0.020.2mm快低纸、金属箔、塑料薄膜等立体光固化成型中小件中等较高0.020.2mm较快较高热固性光敏树脂等选择性激光烧结成型中小件复杂较低0.10.2mm较慢较低石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末3.4.1 工艺原理SLS工艺称为选择性激光烧结，其工艺过程是以金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成型材料，利用滚筒层层铺粉，激光器发出的光束在计算机控制下，对每层材料粉末进行扫描，使之熔化烧结成型，当一层粉末烧结完成后，滚筒上升一层，在烧结层上洒上新的一层粉末，供下一次烧结，直至完成零件的成型。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟，特别是可以制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为未烧结的粉末起到了支撑的作用。其工艺原理图如图3-6所示。图3-6（选择性激光烧结工艺原理图）3.4.2 系统组成系统整体构成,如图3-7示。激光扫描系统是通过2D工作台来实现的。考虑到工作台在X-Y方向运动时精度要求为0.02mm，以及运动时的准确性，故采用钢丝绳驱动来消除传动时的间隙。图3-7 系统整体构成1.扫描工作台2.铺粉装置3.工作缸体4.驱动齿轮5.驱动电机6.激光光路系统7.CO2激光器8.控制计算机9.激光电源2D钢丝绳驱动的工作台由2个步进电机驱动，用以驱动2维扫描系统。步进电机选用55BF009型，其步距角为0.9/步。在2D扫描系统中要求X-Y方向的灵敏度、定位精度高，并要求牵引力小、移动轻便，为此选择高精度的直线滚动导轨，重复定位误差为0.10.2m；摩擦系数为0.0250.005，实现分形路径扫描，完成零件片层的烧结。特点：选择性激光烧结 (SLS) 突出的优点在于它是以粉末作为成形材料，所使用的成型材料十分广泛，从理论上来说，任何被激光加热后能够在粉粒间形成原子间连接的粉末材料都可以作为SLS的成形材料。目前，在SLS系统上已经成功的用石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料进行了烧结。由于SLS成形材料品种多、用料节省、成形件性能分布广泛，适合多种用途，所以SLS的应用越来越广泛。3.4.3 工艺过程其工艺过程主要由两个过程组成： 信息过程离散处理。在计算机上建模的CAD三维立体造型零件，或通过逆向工程得到的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文件进行切片。这些离散的片层按次序累积起来仍是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。 物理过程叠加成型。成型系统的主体结构是在一个封闭的成型室中安装两个缸体活塞机构，一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始前，用红外线板将粉末材料加热至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，铺粉滚筒将粉料均匀地铺在成型缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的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，这样零件的第一层便制作出来。这时，成型缸活塞下移一给定量，供料虹活塞上移，铺粉滚简再次铺粉，激光束再按第二层信息进行扫描，所形成的第二片层同时也被烧结固化在第一层上，如此逐层叠加，一个三维实体零件就制作出来了。这种工艺与立休印刷成型（SLA）基本相同，只是将SLA的液态树脂换成在激光照射下可以烧结的粉末材料，并由个温度控制单元优化的辊子铺平材料以保证粉末的流动性，同时控制工作腔热量使粉末牢固粘结。第4章 快速模具制造技术4.1 快速模具制造历史背景制造业的历史可追溯到几百万年前的旧石器时代。猿进化成人的一个重要的标志就是工具的制造。可见，工具的制造对人类的影响是极其巨大的。从某种程度上说，工具的先进水平决定着生产力的高低。社会的发展与变革，是伴随着劳动工具的发展与变革。制造业是任何一个发达国家的基础工业，是一个国家综合国力的重要体现。而在制造业中，模具工业又是制造业的基础，得到了各个国家的高度重视。尤其在今天以知识为驱动的全球化经济浪潮中，由于激烈的市场竞争，模具工业的内涵、深度和广度都发生着深刻的变化，各种新的模具设计、制造加工方法不断出现，推动着我们的社会不断的向前发展。而快速模具制造（Rapid Tool）正是以其突出的优点，切中了传统模具制造方法与市场要求的矛盾，获得了巨大的发展，显示了顽强的生命力和美好前景。快速模具制造背景快速模具制造之所以得到了各国高度的重视，应用也越来越广，主要有两个背景：一是市场需求提供了动力；二是技术的进步。 市场背景今天的企业，它所面对的市场已不再局限于国内的市场，而是面对一个全球化的市场，任何企业都在全球范围内寻求资源的最佳配置，以降低成本，从而在激烈的市场竞争中赢得自己的优势，才能生存下去。那么，今天的市场竞争有何特点呢？一个最明显的特征就是产品更新的速度大大的加快，产品的生命周期越来越短，产品的个性化越来越明显。这就对产品的设计和制造周期提出了更高的要求。二是世界网络化，竞争全球化。同一种产品，消费者往往面临着多种的选择，选择的范围扩展到了全球。在今天，你即使没走出家门，但你可能正消费着世界各地的产品和服务。 技术背景各种技术的不断进步，深刻的改变着人们的生活方式和思维方式。尤其是计算机技术的巨大进步，大大的加速了社会前进的步伐。同样，计算机技术也为模具工业带来了革命性的变化，而且这场革命还在不断的加速发展。快速模具制造技术正是有了计算机技术、激光技术以及新材料技术等相关技术，才得以不断的进步。由此可见，今天的技术与市场不是分离的，而是紧密相联的。所以，我们在进行技术创新与研究时，必须紧扣市场，以市场需求为导向，让技术服务于市场，服务于我们的社会。4.2 快速模具的制造及应用快速模具制造特点及现状虽然快速成形技术问世不久，由于它本身巨大的优势，给制造业带来了巨大的效益，应用日益广泛。最先进的发达国家如美国，英国，德国和日本等，都非常重视快速成形技术的研究与应用，取得了明显的经济效益，尤其在工业、医学、军事、汽车和航空航天等领域已经得到了广泛的应用。传统的模具制造，采用去除式加工方法部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件一种先进模具制造方法。快速成形是一种新工艺，它是利用工件的CAD三维模型，快速制作工件的实体模型，而快速模具制造技术颠覆了我们传统的模具制造概念，是模具工业的一场革命。快速模具制造技术是以快速成形（Rapid Prototying&Manufacturing，简称RP&M）技术为支撑技术的不用任何附加的传统模具或机加工。4.2.1 快速模具的制造快速模具制造正是以快速成形技术提供的模型，不是用传统的去除加工方法，而是用添加式方法，快速制造模具的一种新工艺。在模具制造业，利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加生产模具；快速成形技术制得的快速原型也可以直接作为模具。目前，快速模具制造主要有一下几种方法：快速软模制造；铝填充环氧树脂模；SLS直接烧结低碳钢渗铜模；低熔点金属模；三维打印渗铜模；电铸镍壳陶瓷背衬模；直接金属喷镀模；直接金属激光液相烧结模；气相沉积镍壳背衬模等。下面以软模的制造工艺作具体的介绍 制作母模：母模呈最终工件正形，一般用快速成形方法制作； 制作浇注模：先在母模上，沿选定的分型面，粘贴一圈彩色胶带纸，并用胶带纸覆盖母模上无用的孔，用蘸有异丙醇的软湿布将母模与浇道芯模擦拭干净，然后用强力胶将浇道芯粘结于母模上，再制作框架； 称量所需的液态硅橡胶与固化剂； 用真空浇注机内部或外部的混合器，使之混合； 排除真空浇注机中的混合物中的空气；将混合液注入浇注模中； 在真空浇注机中，用约15分钟排除浇注件中的气体； 将浇注模放入低温固化烘箱中，进行固化； 取出后，拆除浇注框，去毛边，并割开，取出母模和浇道芯； 使上下模对准，并用装订针将它们相互定位。它具有以下特点： 模具的生产周期大大缩短，降低了成本。市场竞争愈来愈激烈，新产品推陈出新的速度越来越快，例如，十年前开发一辆新汽车的时间大约为60个月，而现在缩短到不到18个月。原来产品的开发周期用“年”作单位来表述，而现在长的用“月”，稍长一点用“周”，甚至许多模具的开发周期用“天”来描述。由此可见，这对传统的模具设计方法的确构成了挑战。而要解决这一问题，快速成形制造技术和快速模具制造技术为这一问题的有效解决提供了希望。这也正是这一技术被给予厚望的重要原因。由于以快速成形技术为基础的快速模具制造技术，改变了传统的“去除”方式的模具制造方法，直接由三维CAD产品设计到产品，省去了许多繁琐的加工过程，大大的缩短了模具制造周期。例如，利用硅橡胶的软模技术，一个产品由 CAD三维模型到一套软模的制成，需要的时间不到一周。回过头来，考察一下今天的手机市场，对于产品销售周期不到半年的新产品来说，具有更重要的意义。 更适合于形状复杂的、不规则零件的加工及模具制造。对于一些复杂形状的产品，即使在今天，数控加工、电火花等各种新的加工方法不断出现，但对于某些复杂的产品，仍然无能为力。而快速成形方法，任意复杂的形状对它来说不是难度。因为，它的基本的思想类似于微积分，是从微小的层入手，逐渐累加而成。在现实的客观世界，任何复杂的三维物体，都可以看成由无限多的二维平面叠加而成。传统的制造方法，是从一个比我们所需要的产品体积大的毛坯，不断的去除多余的材料，逐渐接近产品的过程。正是这又一突出的特点，使产品的设计过程中，减少了因加工工艺对产品设计的限制，更有利于充分发挥设计人员的想象力和创造力，为社会提供更丰富的产品。 模具的强度不高，模具的寿