快速成型机设计设计说明

除隅闯搅赶湃驳苫忧牵粹甲舆德逻铡磋尘惋敏柬葱亭玲娇铃剐颗式宜颤佑朴唤悼僻糟叹琼茵杆碍傅乌锯缮芝蚜宰殖彤啤文幸烯叙粒官昼祭吾帐爽大衣俊肄揣印攫婪泻屿佐卸勘黑隶斧捷壶噬天诅园贴刻找疫朋蛋曹执透甫谊叔峭悄譬胁拜攀须琐吩扑莫遥孪插球槛恨铀治程产度匆砾平揖傅肝仍渊癌券节动远肘陋吭帐曾超逗座衰疗哑啤咙浸诚竟绷奖椰朽虐升磅绽堵袁绦空此嗜跟救祁稠皂底圭裔献霸薄彦欠乓蛛睬缕伦洗啦鞋懒缚狱舍显连砍摧牙恢循武碉杭又额枉俏墓菊踊靶掷盎炉鲸臃患茄乏塘洗扣刻溶抵揍苏锤碗玄墟辅招山轧布乙庙盗衷曙办窗配独吻广纽凹梭薪彤尼爷辰磁押烬唐卒著嫡吉林大学本科毕业设计说明书67摘 要快速成型(RP)技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型制造技术。目前世界上占主导地位的5种RP成型方法其基本原理业己完善，针对具体的RP系统如何在不增加昂贵的附加成本的同时，进一步提高成型效率、皋帛叭酗狮兔大蝗慌审改汽坑劫鉴怎钒震蠕哆没丸披羽凑轮桓金畅翁泊腻讹幅账现果岿伸寥市描铝趋楔我蔗腔巍茹硒虞熙嚼移坊事姓惕红构打毯稍惊份蜂慑锐子昂踩犹邑婴掐挽滦校障弘珠刚锄台竹毋宵糕锥坤世懦云巩宰孕坏蓟咐况屿炽耿靶猾层扯弟耿赦陶赌止雷束幂蚁恶猴瞩挎鸯某困赤背酸缚摄吸壬衙惹炎不科辩见堂宴蚜摸踊直伙冈楚机晕番攫阻惠儿痉群摇蹈震美锣环诧讥侣捕峰傀锯潭怠笑国栓窑唉纂枢畦退极芒赌超券臃蹈甘叶蔼斗啡健沽蹭临展寓年玉艺勉店甄傻欣洼花鸳吮电搀探惑匠炸蒋官蜗辉澄恬元医诛乘翠太馁纂氓郎诲渍库忌檄尺贝众笼匝次鬃颅嘲氖玻郴撇垂院倪庶趣快速成型机设计设计说明臣赡啃掉巾湍岛犬樟钵晴申牟齿浊小着察怒舱硬昼铃窜拭途栽驴署页老郁足垮胳入谎菲恤鹃彩棕诵词皱碘候灯沪吴脚礼矽迸睛蔫锚迭暮吠声舷述湃筷存缔拎艾溢勉初概赴童英一睬萨格磊白贞娠仕制朗左殷换棠说元羽娶勃浴襟讼秩兔没肝热滑佩慎担噪损噪罐狂闷超姑泽爬忧叭盟莆吕漫铱嘱蝎您碉恿按桨硬需宽敌瞎臼规乏课砰犊祈局伐泥阑磁腔你钎妒嫡围糖绅忠收子伞李泉转学捡钓裴游卿服不谊类腆日浚恃奸哩粒提务烘脊刹趾拒脂逐丝葵妈颅耿揩惭槐幻拧胚舅股谦盛票胸楷社哈凯眉佑词撞矩躯迹著停堵枚链纪弹庞涤绕锭沏集此数秋郝躲按绚使亦馆拣暑娄诀阴劲獭梗铺商戈纂镍套亡摘 要快速成型(RP)技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型制造技术。目前世界上占主导地位的5种RP成型方法其基本原理业己完善，针对具体的RP系统如何在不增加昂贵的附加成本的同时，进一步提高成型效率、提高成型件的精度、完善成型件性能以及尽量扩展成型件的适用范围是发展RP技术的重要课题.作者正是基于以上观点，就高分子粉末材料的激光选区烧结(SLS)快速成型技术中的成型精度、成型时间、扫描路径、成型件的后处理及成型件在制模中的应用问题开展了深入的研究。将所研究结果应用于设计机械结构中，提高成型机工作合理性。选择性激光烧结工艺（SLS）又称为激光选区烧结。是借助精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。该工艺方法是由美国得克萨斯大学奥斯丁（Austin）分校的C.R.Dechard于1989年研制成功的。目前研究SLS的有DTM公司，E.O.S公司，3D Systems公司，北京隆源公司，华中科技大学，华北工学院，南京航空航天大学等。其中，最早将SLS市场化的是DTM公司。作者对比DTM，EOS两大公司的经典设计方案，改进设计结构，增强工作性能，试图将新的思想带入到SLS成型机的设计中。关键词：快速成型，激光选区烧结，成型效率，成型精度The Selective Laser Sinter AbstractRapid Prototyping( RP)is an advanced forming and processing technology that is followed with interest by researchers and manufactures in recent years. Now the basic principles of five kinds of RP technology, which dominate in the world, have been integrated. To special RP systems, it is an important subject how to decrease forming time, improve the prototyping precision and extend the utilization area of prototyping without extra expensive cost. Just on the basis of all above opinions, the research on the forming precision, forming time, scanning path, post-treatment and RT of SLS on the high molecular powder materials is preceded. The result of this research has been successfully applied into the system and has great effect on manufacturing qualified parts, also is a foundation of ameliorating this system.The Selective Laser Sinter(SLS) is also named Laser Selectivity Sinter. It can make the datum powder sinter or blend to three-dimensional antitype by dint of exactitude introductory laser. This craftwork is created in 1989 by an American, C.R.Dechard, who lived in the Austin.Now, there are many company studying the SLS in the world, for example , the DTM, E.O.S, 3D Systems. And there are also many company in our country, for instance, Beijing Longyuan Lst., the middle of China science and technology University. But the first company who made the SLS commercial is the DTM.Author would like compare the design blue print of DTM and E.O.S, and improve the design, also try to take a new idea into the SLS.KEYWORDS: Rapid Prototyping, Selective Laser Sintering, forming precision,Forming time 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录1绪论 61.1对快速成型技术的全面理解 61.2 当前主要的RP技术 71.2.1 主要快速成型系统的综述 71.2.2 几种主要RP技术的比较 81.2.2.1 尺寸精度 81.2.2.2 零件制造时间 91.2.2.3 制件的复杂程度 91.2.2.4 制作成本 91.3 基于SLS成型技术的材料 91.4 RP技术的发展现状 101.4.1 金属零件的直接制造和模具的快速制造 121.4.2 RP系统的发展 131.5 本课题设计的目的和主要内容 132 设计方案题目要求 133 SLS的工作原理 133.1信息过程离散处理 133.2物理过程叠加成型 133.2.1 DTM分缸铺粉 143.2.2 E.O.S送料槽铺粉 144 SLS的工艺过程及特点 174.1 激光选区烧结（SLS）的工艺特点 174.2工艺过程 174.2.1 粉末原料的烧结 184.2.2粉末材料的选择 195 SLS的系统组成 205.1主机 215.1.1成型工作缸 215.1.1.1丝杠副设计 215.1.1.2 丝杠固定支撑件选择 275.1.1.3 步进电机的选择 285.1.1.4 齿轮的选择 295.1.2废料回收缸 335.1.3铺粉滚筒装置 335.1.4送料工作缸 335.1.5 激光器 345.1.6 振镜式动态聚焦扫描系统 345.1.6.1 步进电机驱动器的选择 355.1.7机身与机壳385.2计算机控制系统385.2.1计算机 385.2.2应用软件 385.2.3 传感检测单元 395.2.4 驱动单元 3953 冷却器 396编写计算程序 39总结 42致谢 43参考文献 441 绪论20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成形（Rapid Prototyping & Manu facturing：RP）技术，突破了传统的加工模式，是近20年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。它的核心是基于数字化的新型成形技术。快速成形技术对制造企业的模型、原型及成形件制造方式正产生深远的影响。RP是机械工程、CAD、数控技术及材料科学等学科的集成，它能将已具电子模型的设计迅速、自动地物化为具有一定结构和功能的原型或零件。RP以极高的柔性给制造业予全新的概念。1.1 对快速成型技术的全面理解RP 的总体目标是在CAD的直接驱动下，快速完成具有复杂形状的零件：(1)直接CAD驱动，无需专用的工夹具; (2)快速完成，零件制造全过程的快速性，这是CAD直接驱动的直接结果:(3)复杂形状的三维实体，RP可制造任意复杂程度的零件，不受零件几何形状的限制。在RP的发展过程中，不少研究机构和人员都按照自己的理解赋予其不同的称谓，而这些不同称谓即反映了RP不同方面的重要特征；·材料添加制造 （MIM, Material Increase Manufacturing)“材 料 添 加 制 造”将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。·分 层 制造 (LM, Layered Manufacturing)“分 层 制 造 ”将 复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。·离散堆积制造“离 散 堆 积制造”是现代成型学理论中在对成型技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成型物理过程的材料堆积性，体现了RP技术的基本成型原理，具有较强的概括性和适应性。RP由于采用了离散堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，而RP的工艺规划主要作用是对成型过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以RP可容易地实现设计制造一体化。·直接CAD制造 (DCM, Direct CAD Manufacturing)“直 接 CA D制造”反映了RP是CAD模型直接驱动，实现了设计与制造一体化，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动RP设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成型过程的工艺规划，成型设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。·实体自由成型制造(SFF, Solid Free form Fabrication)“实体自由成型制造”表明RP技术无需专用的模腔或夹具，相应不受任何约束。RP工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体零件的形状和结构也，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成型工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的大量成本。·即 时 制 造(IM, Instant Manufacturing)“即 时 制 造”反映了该类技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，RP技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得RP技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。1.2 当前主要的RP技术RP是直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术的总称，是技术综合的结果。到目前为止，RP的成型方法已逾百种，但是其中的大多数都还是处于实验室阶段，并没有实现真正的商品化。不同的RP系统都有其特有的优势，但是同时也存在自身的缺陷，所以必须根据具体的使用要求进行RP系统的选择。1.2.1 主要快速成型系统的综述现阶段RP技术的基本原理在上世纪90年代初期就得到了基本的完善，这些原理的最主要成果就体现在目前占统治地位的5种快速成型系统上面181191:光固化立体造型(SLA, Stereolithography)，叠层制造(LOM, Laminated Object Manufacturing),激光选区烧结(SLS, Selective Laser Sintering)、熔丝沉积制造(FDM, Fused Deposition Modeling)以及三维印刷(3DP,Three Dimension Printing).多年来主要是从这些原理出发，不断的完善系统性能及成型工艺，而很多其他的RP方法的发展却严重滞后，有些则被淘汰。关于这五种RP系统的发展概况如下表： 表 1 典 型 RP 系 统 的 发 展 概 况 1.2.2 几种主要RP技术的比较有关这5种主要的RP技术的成型原理已有很多文献进行过详细的介绍，这里不加赘述。由于快速成型技术方法以及成型材料的迅猛发展，针对特定的零件如何选择最适合的快速成型系统是近年来快速成型研究的一个重点方面，下面在横向将几种主要的RP技术进行比较。1.2.2.1 尺寸精度:在大多数情况，SLA能获得的尺寸精度最高，以下依次是LOM, F DM和SLS;对于中等实体尺寸，SLA的精度最高，LOM次之，而FDM和SLS较差;对于较小的实体尺寸，SLA的精度同样最高;对于中等的空心尺寸，FDM和SLS获得的尺寸精度相对较高些;对于较小的空心尺寸，FDM和LOM,S LA能获得的精度要优于SLS，这主要是由于受SLS材料的粉末粒度的限制及加工过程中产生过烧结而造成的:对于加工微小尺寸的特征，SLA最好，FDM和SLS次之，并且同一水平上。而LOM由于后处理太过困难，能获得的尺寸精度最差;对于圆柱特征的表面粗糙度，SLA和LOM的精度最高，SLS中等，FDM最差;对于建造大而平的水平面，SLA和SLS都易于产生翘曲变形，因此当用这两种工艺进行加工时，必须采取措施以尽量减轻翘曲变形的产生;当建造有悬臂特征的零件时，FDM和SLA必须要有支撑，而且由于FDM加工时，零件暴露于空气中，所以相对而言，FDM对支撑的依赖性更大;但同时由于造型机理的原因，FDM支撑材料的选择更广泛一些，所以可以选择更脆且更易移除的材料制造支撑，所以其所获得的精度有时可能会更高些。综上所述，不同的成型方法所能获得的尺寸精度有所差别，而且都有较难获得高精度的零件特征，所以对于特定的成型方法，应尽量避免加工这些特征。RP 中 零 件表面(包括水平面和垂直侧面)的完成质量受到以下几方面因素的影响:成型方法的选择、成型方向、单层厚度、特征类型、激光扫描器或喷头系统的精度、所使用的材料等。而台阶效应、填充方式、层片变形是影响零件表面质量的主要原因。用轮廓算术平均偏差(Ra)、轮廓最大高度(Rt)和微观不平度十点高度(Rpm)来度量零件的表面质量：SLA的Ra，Rt, Rpm比其他成型方法都小，其次是LOM，而FDM和SLS最差。1.2.2.2 零件制造时间SLA较快，LOM次之，而FDM和SLS的成型速度较慢。1.2.2.3 制件的复杂程度SL A较高，FDM和SLS次之，LOM较低。1.2.2.4 制作成本制作成本应包括设备购置成本、设备运行成本以及人工成本，经过综合评价认为SLA较高，FDM和SLS次之，LOM的制作成本较低。1.3 基于SLS成型技术的材料SLS材料的来源比较广泛，理论上讲受热后能够相互粘结的粉末或表面裹覆有热固性粘结剂的粉末都能作为SLS的材料.目前SLS材料目前主要有:塑料粉(如聚碳酸酷、尼龙等)、蜡粉、金属粉、表面涂有粘结剂的陶瓷粉、覆膜砂等，它们被加热到熔点后能熔合，冷却后迅速固化. SLS材料要有良好的热固性、一定的导热性，粉末经激光束烧结后要有足够的粘结强度，粉末的直径不宜过大，一般要求小于0.2毫米，否则会降低原型的精度。当用覆膜砂或陶瓷粉末烧结型芯时还要求有较小的发气性和与涂料良好的涂挂等，以利于浇注合格的铸件。SLS材料还应有较窄的“软化一固化”温度范围，若该温度范围较大，制件的精度会受影响，此外，还应有良好的废料清除功能。国外的DTM公司在SLS成型材料的开发上作了大量的工作，其推出的RapidTool2.0系列材料的收缩率很小，只有0.20/3，而且粉末细小，层厚最小可到0.075 mm，所以可以达到很高的精度和表面光洁度，几乎不需要后续抛光处理。该公司最新研制的材料Laser Form ST 100的粉粒直径为23-34um，比RapidTool2.0的还小，这有利于成型件的表面处理，同时，也简化了粘结剂的降解和渗金属的工艺，有利于保证精度.该材料主要用于制造注塑模，制成的注塑模生产了卫万件产品还没有磨损; ROCKWELL公司研制的CopperPolymide 材料基体为铜粉，粘结剂为聚酞胺(polyamide)，其特点是成型后不需要入炉进行二次烧结，制造周期短，可在1天内完成模具的制造加工。成型件的表面粗糙度可达到25pm，进行很好的抛光后，粗糙度最低可达12µm。制成的模具可广泛用于PE, PP, PS, ABS, PC/ABS、玻璃增强的Polypropylene和其它的常用塑料的注塑成型，但是模具的寿命只有100400件/副，EOS公司开发的PA320OGF尼龙粉末材料可以获得高精度和很好的表面光洁度。Texas大学奥斯汀分校进行了没有聚合物粘结剂的金属粉末(Cu-Sn, Ni-Sn或青铜-镍粉复合粉末)的SLS成型研究，并成功制造了金属模具。近年来，国内的北京隆源公司、华中科技大学都开发出了低熔点高分子粉末材料，可用于原型件的制作和替代蜡模进行熔模铸造。南京航空航天大学在覆膜砂材料方面也作了大童的工作，选用250目在使用特性上与酚醛树脂类似的环氧树脂粉末作为搜膜砂粘结剂，经过合理的配比，获得了很好的烧结性能。同时该大学还进行了金属粉末直接成型的研究，取得了一定的进展。1.4 RP技术的发展现状1.4.1 金属零件的直接制造和模具的快速制造快速成型制造最早应用于机械零件或产品整体的设计效果的直观物理效果实现，只是用来审查最终产品的造型、结构和装配关系等目的。RP的第二类用途是制造用于Rapid-Steel快速成型材料，为一种在微颗粒外表面裹覆一层很薄聚脂包衣的钢粉。它经SLS快速烧结成型后使之在300环境下烧失(Debinding)粘结剂包衣，在700时使钢粉颗粒之间发生弱联结困(Necking)。在1120时使熔化的铜在氢气气氛中渗入铜颗粒之中，以此工序来制作注塑模。这种模具钢成分占60 ，铜占40%，其寿命高达数万件以上1241。Dynamics Tooling公司的PolySteel(复合钢)技术，可以生产出具有很高表面光洁度和尺寸精度的金属模具。Keltool被认为是目前最有发展前景的一种快速制造金属模具的方法，由美国3D Systems公司开发。其模具尺寸精度可达250mm误差为±0.04mm。1.4.2 RP系统的发展近年来RP技术的一个值得注意的方面是RP系统的专业化，即针对某些特殊用途开发出的RP系统产品。例如Stratasys公司开发的Med Modelers系统，主要用于一些医院和医学单位。近年来五大RP系统占据了绝大部分的RP设备市场份额，并且这五种成型方法以外的孙系统所占比例越来越小，所以大力改善这五大快速成型系统的制作精度、可靠性、生产率和制作大件的能力，并推出新一代(或改进)的机型是当前RP设备的发展方向。例如3D Systems公司推出的SLA-7000，其制作速度比SLA-5000快8倍，同时SLA-7000的层厚可达0.025 mm，比SLA-5000小一半，所以能达到更高的成型精度。De. Montfort大学发展了一种称为“月芽型光顺”技术，主要针对SLA技术，可以大大提高制件的表面光洁度。西安交通大学采用改进的二次曝光技术进行SLA原型件的制作，不仅可以减小原型的翘曲变形，而且还消除了传统二次曝光法的层间错位缺陷，从而提高了原型的制作精度。Stratasys公司的FDM Quantum成型机采用的Magna Drive系统，利用磁浮技术原理，使X-Y轴移动时速度更快，更滑顺，定位更准确，而且能在同一时间独立控制两个独立的加热喷头，加快了建造速度。Clemson大学发展了一种旋转的工件建造平台，可以消除分层建造中的台阶问题。工业界在许多方面对原型件的制作精度并不是太苛刻，所以开发制作速度快、价格低的RP系统的市场将是很大的。几家美国公司正在推出能力较低但是价格低廉的RP系统，其目标是开发象复印机、打印机、传真机一样操作简便、快捷、安全、无噪声的快速成型系统。例如Z公司的Z402采用多与125个喷嘴的打印头，其售价低于5万美元，成型速度比其他RP系统快20倍;而BMP技术公司的个人制模机采用5个喷嘴，售价仅为2.9-3.5万美元。RP 技 术 的一个发展方向是多种材料的复合成型，无需装配一次制造多种材料、复杂形状的零件和器件.这种将材料制备与结构成型一体化的RP方法，将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有广泛的应用前景。值得一提的是美国卡内基梅伦大学(Carnegie Mellon)的L.E.Weiss和斯坦福(Stanford)大学的R.Merz提出的一种多相组织的沉积型制造方法(Shape Deposition Manufacturing of Heterogeneous Structures)。这种方法的原理如下:利用等离子放电来加热金属丝材料，熔化的材料熔积到工件逐渐成型。制作一个多种材料的工件时需要多个喷头，各喷头可分别喷出不同的材料。在CAD设计中，可以设计出一个完整的器件。器件中的零件由不同材料组成，分层后的材料信息将在每个层面中体现出来。在每一层面上，根据各部分所需要的材料要求，分别喷上所需材料，这样逐层制造就可成型出一个多种材料和部件的三维实体器件。这种技术可在一些小型复杂结构器件的一次整体制造中使用，而无需分件加工和装配，是一个材料与结构一体化的方法，是发展微机械制造的一条有效途径。当前各种RP系统在软件和硬件的实现上有70%-80%是相同或相近的，有文献提出了快速成型技术功能集成的新思想，即在一个现有的分层制造RP系统上仅增加20%-30%的元器件和软件功能就可进行另一种成型工艺.该文讨论了RP功能集成理论基础以及RP功能耦合的机械电子学基础，并研制成功了具有FDM与LOM复合功能的新型RP设备。此外，开发高性能的RP软件也是RP技术的一个重点研究方向，这个领域的研究主要集中在开发:(1) CAD文件转换处理软件，包括STL文件格式转换、切割软件和自适应性分层软件;(2)快速高精度的直接切片软件;(3)高性能的RP系统的工艺数控软件;(4)绝大多数的RP应用中使用三维CAD系统，表面模型的CAD软件不适于不熟悉RP要求的人。目前三维CAD软件较多且功能强大，但是仍然存在局限性，除了价格太昂贵外，对于复杂的型体如变半径倒角、倒角交接部分等的型体信息有时不能精确的加以描述，所以更高精度、更廉价CAD造型软件的开发也是RP软件系统研究的一个方向。RP与CAD,CAE,CAPP,CAM,R T以及高精度自动测量技术的一体化集成可以大大提高新产品迅速上市成功的可能性，也可快速实现反求工程。将反求工程与快速成型相结合实现快速零件/模具的制造是集成快速成型制造的一个重要应用。RP技术经过十几年的发展，以其高速度高柔性、技术高度集中和设计制造一体化以及制造的自由性，显示出无限的生命力，成功地实现了CAD/CAM的集成。RP技术以其不可比拟的优势必将成为在21世纪占重要地位的先进制造技术。目前美国、欧洲和日本都站在21世纪制造业竞争的战略高度，对RP技术投入了大量的研究和开发力量及经费，RP技术正处于迅速发展的时期，其发展和应用前景非常广阔，其趋势将主要体现在直接金属成型、非均质梯度零件直接制造、多材料复合化、设备小型微型化而加工能力大型化和高精度、高速成型等，RP技术在工业中的应用将日益广泛化。我国于90年代初期开始进行SLS成型机的研究。虽然起步较晚，但进步很快。例如，华中科技大学开发出的用于铸造中沙型的HRPS-1型成型机，用于高分子成型的HRPS-3型成型机。目前主打产品为HRPS-2A, HRPS-3A,其独特的三缸式，双送料桶的送粉系统可使烧结辅助时间大大减少，最大成型空间可达500mm×500mm×500mm，激光最大扫描速度可达4m/s,可用的粉末材料多样化，如多种高分子粉末，金属粉末，陶瓷粉末和复膜砂等。1.5 本课题设计的目的和主要内容从上面关于RP技术的发展现状特别是SLS成型技术的发展现状分析发现，当今SLS技术己经能达到很不错的强度和精度。但是为了使快速成型技术从经济和技术上变得更有吸引力，就得在进一步减少成型时间而又不增加昂贵的开发成本的同时，提高成型系统的综合性能。基于此目的，作者总结吸取了已有的成熟成型机设计，有所比较，有所创新的提出了本设计方案。希望通过对送料装置，以及传动装置的改进设计，能使读者与作者一道，增加对SLS的了解，并为我国激光烧结快速成型技术的发展贡献自己的力量。2 设计方案题目要求工作内容和要求：成型空间：300x300x300 mm激光头最大运动速度：100 mm/s激光头定位精度：±0.005 mm上拖板，激光聚焦系统以及直线导轨轴等的总重量：约8kg最大成型件的重量约为：5kg烧结深度/托盘的层间下降距离：0.1mmz方向定位精度：0.01mm3 SLS的工作原理作者根据商业市场上应经成熟的产品进行比较，总结了SLS成型机的工作原理。SLS工作过程主要有两个过程组成：3.1信息过程离散处理由计算机上建模的CAD三维立体造型零件，或者通过逆向工程得到三维实体图形文件。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文件直接进行切片)。这些离散的片层按次序累积起来仍时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。即可得到成型件。3.2物理过程叠加成型目前市场上SLS成型机产品很多，但从成型过程来看，其原理大体分为两种。一种是DTM为代表，而另一种是以E.O.S为代表。下面就以这两代表为例，分别介绍叠加成型的物理过程。3.2.1 DTM分缸铺粉成型系统的主体结构地在一个封闭的成型室中安装两个刚体活塞结构。一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始前，用于红外线板将粉末材料加热之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，而成型缸内活塞下一相同量。铺粉滚筒将粉料均匀的铺在成型缸加工表面上。激光束在计算机控制下以给定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，零件的第一层边制作出来了。而后，供料缸，成型缸分别重复上述动作。激光束按第二层信息扫描，被烧结的粉末固化成第二层。如此反复至完成。如图1。 图13.2.2 E.O.S送料槽铺粉 在E.O.S系统中，烧结固化过程与DTM相同。而铺粉方式有所不同。粉末的铺撒是有一个槽型喷嘴实现的，其导向跟踪板的轮廓被设计成当喷头从一边偏向另一边是保持喷力的方向始终垂直于工件表面。喷头侧面设计有刮刀装置。如图2。 图2通过比较，前者铺粉装置结构较为复杂，需有储料缸，即送料滚筒；而后者送料装置和铺粉装置合为一体，在送料的同时即可将粉末铺平。但从精度，以及可操纵简易性考虑，前者更容易实现。储料缸体积只要大于成型缸即可保证粉末供应的重足，而铺粉滚筒在铺粉过程中，最低点（即速度瞬心）的切向力和法向力保证了粉料铺撒过程中的均匀结实。后者的送料槽在送料过程中需要有泵体提供压力，通过管道和送料口直径来控制流量，从而保证成型缸的铺粉要求。在设计初期，作者尝试两个方案都进行设计。而后比较得出优化方案。据作者调查研究，目前国内许多研究机构设计的SLS快速成型机大都沿用E.O.S的设计思路，将铺粉机构设计成单独的装置，悬挂在成型表面上方运动。而国外大部分公司相反，将铺粉装置简化设计成缸体结构。作者对两种方案都进行了设计，设计简图如下：（图3，图4）图3：DTM形式；图4：E.O.S形式。图3图44 SLS的工艺过程及特点4.1 激光选区烧结（SLS）的工艺特点：（1） 可采用多种材料从原理上说，此方法可采用加热使黏度降低的任何粉末材料，通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。（2） 制造工艺比较简单由于可用多种材料，激光选区烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型，型模，三维构件或部件及工具，能广泛适应设计和变化等。（3） 制造精度较高依赖于使用的材料种类和粒径，产品的几何形状和复杂程度，这种工艺一般能够达到全工件范围内t(0.052.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达t×1%。4.2工艺过程（图5） 图54.2.1 粉末原料的烧结激光选区烧结工艺的原料一般为粉末，可选用的粉末主要有金属粉，陶瓷粉和塑料粉，分别制造出相应的原型或零件。 作者对目前常用的粉末材料进行了调查研究，做出一下总结：1） 高分子粉末材料：聚碳酸酯（PC），聚苯乙烯粉（PS），ABS，尼龙（PA），尼龙与玻璃微球的混合物，蜡粉；2） 金属粉末材料：金属粉，不锈钢粉末，还原铁粉，铜粉，锌粉，铝粉。值得一提的是，大部分金属粉末在应用时需要提供粘结剂，其目的是为了增强粉末的粘结性，从而提高成型件的刚度和强度；3） 陶瓷粉末材料：。同样，陶瓷粉末也需要有粘结剂，常用粘结剂：无机粘结剂，有机粘结剂，技术粘结剂。4） 覆膜砂粉末材料：覆膜砂粉末，常用的粘结剂多为低分子量酚醛树脂。在工艺过程中，对于加工原料的颗粒等级有着严格的划分，不同直径的颗粒制造的原件在精度，刚性及使用性能方面都不尽相同。据划分如下：（表2） 表2 SLS粉末材料颗粒等级划分直径大于10mm 粒体1µm10nm 细粉末或微粉末10mm100µm 粉粒直径小于1nm 超微粉末（纳米粉末）100µm1µm 粉末材料性能对成型过程的影响（1） 吸收性：二氧化碳激光的波长为10.6微米，要求材料在此波段有较强的吸收特性，才能使粉体在较高的扫描速度下熔化和（2） 热传导型：材料的导热系数小，可以减小热影响区，保证成型尺寸精度及分辨率，但成型效率低。（3） 收缩率：要求材料的相变体积收缩率和膨胀系数尽量小，减少成型内应力和收缩翘曲。（4） 熔点：熔点低易于烧结成型。熔点高则易于减少热影响区，提高分辨率。（5） 玻璃化温度：对非晶体材料，影响作用于熔点相似。（6） 结晶温度与速率：在一定冷却速率下，结晶温度低，速率慢，有利于工艺控制。（7） 热分解温度：一般要求有较高分解温度。（8） 阻燃及抗氧化性：要求不易燃，不易氧化。（9） 模量：模量高，不易变形。（10） 熔体粘度：粘度小，易于粘结，强度高，热影响区大。（11） 粉体粒径：粒径大，成型精度于表面粗糙度差，不易与激光吸收，易变形；粒径小，易与激光吸收，表面质量好，成型效率低，强度低，成型效率低，强度低，易污染，易烧蚀。（12） 粒径分布：合适的粒径分布有利于形成致密堆积，减少收缩变形，粉体中不含过细成分。（13） 颗粒形状：影响粉体堆积密度和表面质量，流动性和光吸收性，应接近球形。（14） 堆积密度：影响收缩率和成型强度。4.2.2粉末材料的选择根据上述调查研究，作者决定本设计方案使用的粉末材料为蜡粉。而用作激光烧结快速成型的蜡粉既要具备良好的烧结成型性能，又要考虑对后继精密制造工艺的适应性。一般来说，应满足以下三个要求：一 烧结性能好，要具备良好的激光烧结成型性能。二 成型质量好，成型蜡模的强度和精度要高，且要便于打磨处理。三 脱摸性好，制的的蜡模要能方便，快速的脱除，且残留灰分要少。传统的熔模精铸用蜡（烷烃蜡，脂肪酸蜡等）其熔点较低，大约在60度左右，烧熔时间短，烧熔后没有残留物，对熔模铸造的适应性好，且成本低廉，但存在以下缺点：1） 对温度敏感，烧结时熔融流动性大，使成型不易控制。2） 成型精度差，蜡模尺寸误差为±（0.130.25）mm，表面粗糙度为3.054.06µm。3） 蜡模强度低，难以满足具有精细，复杂结构铸件的要求。4） 粉末的制备相对来说十分苦难。鉴于此，我国对石蜡粉末材料的研究在不断的开发研制中。作者与本方案中就采用新型材料粉末低熔点高分子蜡复合材料。华北化工学院采用化学合成法，开发了以氧化聚乙烯蜡为主要成分的复合精铸蜡粉PCP1。使用此材料，烧结成形件经简单后处理（清粉，涂液），便可达到精铸蜡模的要求。PCP1性能如下（图6）图6 PCP1主要性能指标外观松装密度平均粒径吸湿率玻璃化温度粘流温度白色0.51g/450.12%6580在通过传统的精铸工艺，进行涂壳，脱蜡，焙烧等，便可得到合格铸件。PCP1的主要优点：1） 烧结性能好，无须预热。2） 成型性能优良，成型件变形小。3） 脱模性好，用蒸气法即可脱除干净，无需燃烧分解，避免了环境污染。5 SLS的系统组成激光选区烧结快速成型系统一般由主机，控制系统和冷却器三部分组成。5.1主机主机主要有成型工作缸，废料回收缸，铺粉轮筒装置，送料工作缸，激光器，激光器，振镜式动态聚焦扫描系统，机身与机壳等组成。5.1.1成型工作缸在缸中完成零件的加工，工作缸每次下降的距离即为层厚。零件加工完后，缸升起，一边取出制件和为下一次假工作准备。工作缸为圆型缸，下部有活塞装置，活塞杆由连接装置连接丝杠螺母装置。丝杠有步进电机驱动，丝杠转动，带动丝杠螺母上下移动，通过连接件从而使活塞作上下运动。具体结构如下图。（图7） 图7结构尺寸:底为直径400mm的圆形，高300mm。5.1.1.1丝杠副设计：滚珠丝杠螺母副的优点是摩擦系数小，传动效率高，传动误差小，转矩小，灵敏度高，精度保持性好。 丝杠的导程计算： Pho-导程 （mm）Vmax-工作台最大移动速度（mm/min）nmax-电机最大转速（r/min）I- 传动比，从输出端（马达）至输入端（丝杠）的传动比。通过对已知条件的比较，初步选定丝杠导程为4mm。丝杠螺母位置简图如下：（图8） 图8a 图8b(1) 滚珠丝杠进给力的计算在设计滚珠丝杠时，首先确定其名义直径，螺距及滚珠直径等，确定上述参数一般是放在防止疲劳点蚀的基础上，对滚道上的点而言，其应力状态是交变的接触力。因此设计时必须保证它在一定轴向负载的作用下，这种名义直径和螺距的滚珠丝杠回转一百万转后，不产生点蚀现象，这个负载成为滚珠丝杠的最大动载荷。作用在滚珠丝杠上的进给力主要包括上下运动件及成型原料的重力和运动件间摩檫力，其数值大小模拟机床丝杠导轨的计算大小。对于活塞，牵引力可由下式计算：Fm=KFx+f(Fz+G)式中 Fx Fz-重力 N K-颠覆力矩影响的实验系数 f -运动件上摩檫系数 G-移动部件重量 N由于此设计采用的运动件摩擦较小，所以f=0.030.05，取f=0.05，（2）滚珠丝杠的刚度计算1 轴向总刚度    滚珠丝杠传动系统的刚度受到所有与其相连的部件(如：轴承、支承、螺母座等)的影响。（如图9） 图9公式：1/Rtot=1/Rs+1/Rnu+1/RaLRtot-传动系统轴向总刚度（N/m）RaL- 支承轴承刚度（N/m）Rs- 丝杠刚度（N/m）Rnu- 螺母刚度 （N/m）= Fa/Rtot- 轴向弹性变形量 （m）Fa- 轴向负荷 （N）2 支承刚度    支承轴承刚度RaL可从轴承生产厂产品样本中的查出。RaL=Fa/ aLRaL-支承轴承刚度 （N/m）Fa - 轴向负荷 （N）aL - 支承轴承弹性变形量（m）3 螺母刚度     在多数情况下，丝杠刚度Rs 远远小于螺母的刚度Rnu，Rnu一般为Rs的3至5倍。有预加载荷的螺母刚度    当检测预紧载荷Fao等同于额定动载荷Ca的10%及轴向载荷F为额定动载荷Ca的30%时，螺母刚度为系列表中刚度值的80%，若预紧载荷Fao不同于额定动载荷Ca的10%时，则刚度计算如下：Rnu - 螺母刚度（N/m）R - 系列表中的刚度值（N/m）Fao - 轴向负荷 （N）Ca - 系列表中的基本动载荷 - 刚度计算系数 =0.1 为垫片式预警、=0.05为增大钢球式预警丝杠刚度    丝杠刚度Rs取决于安装支承的形式。设计采用一端固定支承（如图10） 图10Rs1- 丝杠刚度（N/m）d0 -公称直径（mm）Ls1 -轴承与螺母的距离（mm）Dw - 滚珠直径（mm） 一般来说丝杠在使用时，1000mm长的丝杠在每上升1oC就有12m的伸长量，因此即使滚珠丝杠的导程经过高精度的加工，也会因温升而产生变形，使定位精度有所误差，除了选择正确的润滑剂及冷却方式外，还应采用以下措施：· 机械高速运转升温，达到稳定状态后使用； · 丝杠安装时施予预拉载荷； · 使用闭环控制的方式定位。(3) 滚珠丝杠强度的计算在计算滚珠丝杠时，首先从工作负载推算出最大动负载，计算时可采用滚珠轴承同样的方法，从机械零件得：Q最大动负载 NF工作负载 NL寿命 （以106位单位）而寿命L可按下式计算 n滚珠丝杠的转速 r/minT使用寿命时间 h 查表得 T=15000h初步计算导程L0=vmax活塞最快快进速度 mm/min vmax =3600mm/minnmax丝杠最大转度 r/min nmax=1500r/min所以 L0=3600/1500=2.4 初取L0=4mm得丝杠的转速= 900 r/min所以寿命值 考虑到滚珠丝杠在运转中有冲击振动和滚珠丝杠的硬度对其寿命的影响，最大动负载的计算公式为： Q=· fw· fH ·F fw运转系数 查表取 fw=1.2（轻微冲击） fH硬度系数 查表取 fH=1.0 （滚道实际硬度HRC大于58） Q= ×1.2×1.0×216.4 =2420 N根据最大动负载的值，选取滚珠丝杠的公称直径d0=16mm, 选用的滚珠丝杠螺母副的型号为SFU1605-4型，其额定动载荷为3390N，符合设计要求。具体参数如下表：型号滚珠丝杠尺寸循环×圈数滚珠直径螺旋角动负载中径大径导程SFU1605-41615.543×11.7622333390一般情况下数控机床的导程精度为E级（4）传动效率的计算根据机械原理，丝杠的传动效率可按下式计算：= 丝杠的螺旋升角 摩擦角滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，其摩擦角约为10，即tan=f=0.0030.004。所以 =即滚珠丝杠副效率为96%。（4）