快速成形技术在铸造生产中的应用.wps
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1、快速成形技术在铸造生产中的应用快速成形技术在铸造生产中的应用对 SLA,SLS,LOM,FDM 四种原型生产的精铸件精度和表面粗糙度进行比较。1 铸件精度比较 测定、统计不同快速成形样件在xy平面内及 z轴方向测量误差与样件长度的关系,以及误差密度分布。样件xy 平面内误差与样件长度的关系图如图 10 所示。综合分析各个图可知SLA 原型所生产样件误差最小、 误差密度集中。图10 样件在xy 平面内测量误差与其尺寸大小的关系a) SLA 误差 b) SLS 误差 c) LOM 误差 d) FDM误差2 铸件表面粗糙度比较 测试件上表面、斜面和竖直面的表面粗糙度,统计结果见表4。 从数据看,LO
2、M 原型生产的样件有最低的整体表面粗糙度值,其各方向的表面粗糙度(Ra)分别为 1.5m、 2.2m、 1.7m。 其次是 SLA原型生产的件,其表面粗糙度值相对也较小。表 4 几种不同快速成形原型生产样件的表面粗糙度Ra (单位:m)1 快速成形技术 20世纪 80 年代后期发展起来的快速成形(Rapid Prototyping,简称RP)技术,被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破,其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。快速成形技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术,是集计算机、 数控、 激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。2 快速成形技术原理快速成形技
3、术是先进制造技术的重要分支,它不仅体现在制造思想和实现方法上有了突破,更重要的是在制作零件的质量、性能、 大小和制作速度等方面,也取得了很大的进展。 它是建立在CAD/CAM 技术、 激光技术、 数控技术和材料科学的基础上,基于离散/堆积成形原理的成形方法。 其基本原理是:任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向叠加而成,因此可先将 CAD 系统内三维实体模型离散成一系列平面几何信息,采用粘接、 熔结、 聚合作用或化学反应等手段,逐层有选择地固化液体(或粘接固体)材料,从而快速堆积制作出所要求形状的零部件(或模样)。制造方式是不断地把材料按照需要添加在未完成的工件上,直至零件制作完毕。
4、即所谓“使材料生长而不是去掉材料的制造过程”,其实现的流程如图 1 所示。 图1 RP 的离散/堆积成形流程3 典型的快速成形技术快速成形技术按原型的成形方式分为:立体印刷(SLA)、 选择性激光烧结(SLS)、叠层实体制造(LOM)、融积成形(FDM)、三维印刷(3DP)等。1 立体印刷(SLA) 立体印刷(Stereo Lithography Apparatus,简称SLA)又称之为激光立体造型或激光立体光刻。是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的,这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。SLA 工作原理图如图 2 所示。
5、首先由CAD 系统对准备制造的零件进行三维实体造型设计,再由专门的计算机切片软件将三维 CAD 模型切割成若干薄层平面图形数据。图2 所示的容器中,盛有在紫外光照射下可固化的液态树脂,如环氧树脂、乙烯酸树脂或丙烯酸树脂,不同树脂样件的机械特性不同。立体印刷开始时,升降台通常下降到距液面不到1mm(相当于CAD 模型最下一层切片的厚度)处。随后x-y激光扫描器根据第一层(即最下一层)切片的平面几何信息对液面扫描,液面这一层被激光照射到的那部分液态树脂由于光聚合作用而固化在升降台上。接着升降装置又带动升降台使其下降相当于第二层切片厚度的高度,x-y 激光扫描器再按照第二层切片的平面几何信息对液面扫
6、描,使新一层液态树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上,如此重复进行直至整个三维零件制作完成。图 2 立体光刻装置示意图SLA 方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法,也是技术上最为成熟的方法。SLA 工艺成形的零件精度较高,多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能,使该工艺的加工精度能达到 0.1mm。但这种方法也有自身的局限性,比如需要支撑、 树脂收缩导致精度下降、 有的光固化树脂有一定的毒性等。 2 选择性激光烧结(SLS) 选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称 SLS)是用二氧化碳类红外激光对已预热(或未预热)的金属粉末或者塑料粉末一层层地扫
7、描加热,使其达到烧结温度,最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构。选择性激光烧结与立体印刷的生产过程相似,首先还是由CAD/CAM 系统根据 CAD 模型各层切片的平面几何信息生成x-y 激光束在各层粉末上的数控运动指令。制作过程如图 3 所示,随着工作台的分步下降,将粉末一层一层地撒在工作台上,再用平整滚将粉末滚平、压实,每层粉末的厚度均对应于CAD模型的切片厚度。各层上经激光扫描加热的粉末被烧连到基体上,而未被激光扫描的粉末仍留在原处起支撑作用,直至烧结出整个零件。 SLS 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、石蜡等材料的零件,特别是可以制造金属零件,这使SLS 工艺
8、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。图 3 选择性激光烧结示意图3 叠层实体制造(LOM) 叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing,简称 LOM)又名分层(或层压)实体制造,它的生产程序与前述两种方法相近,其主要特点是根据CAD 模型各层切片的平面几何信息对箔材(通常为纸)进行分层实体切割。如图 4 所示的装置由供料轴和收料轴不断传送箔材。工作时激光器发出的 CO2激光束进行x-y 切割运动,将铺在升降台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓。随后升降台下降一层高度,箔材供料轴和收料轴又传送新的一层箔材,铺上并用热压辊碾压
9、使其牢固地粘在已成型的箔材上,激光束再次进行切割运动切出第二层平面轮廓,如此重复直至整个三维零件制作完成。 LOM 工艺只须在箔材或者纸上切割出零件截面的轮廓,而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快,易于制造大型零件。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用,所以 LOM 工艺无需加支撑。图 4 叠层实体制造示意图4 融积成形(FDM) 融积成形(Fused Deposition Modeling,简称FDM),其成形材料可用铸造石蜡、尼龙(聚酯塑料)、 ABS 塑料及医用MABS塑料,可实现塑料零件无注塑成形制造。FDM 融积成形系统采用专用喷头,成形材料以丝状供料,材
10、料在喷头内被加热熔化,喷头直接由计算机控制沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出沉积成实体零件的一超薄层,材料迅速凝固,并与周围的材料凝结。整个模样从基座开始,由下而上逐层堆积生成,如图 5 所示。 图 5 融积成形示意图FDM 工艺不用激光器件,因此使用、维护简单,成本较低,无毒无味和运行稳定可靠,适合办公室环境使用,符合环保要求。用石蜡成形的零件原型,可以直接用于熔模铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。 由于以 FDM 工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点,该类工艺发展非常迅速。5 三维印刷(3DP) 三维印刷(Thre
11、e Dimension Printing,简称3DP)工艺与 SLS 工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面,如图 6 所示。用粘结剂粘接的零件强度较低,还须后处理。先烧掉粘结剂,然后在高温下渗入金属,使零件致密化,提高强度。图 6 三维印刷示意图该工艺已被美国的 Soligen 公司以 DSPC(Direct Shell Production Casting)名义商品化,用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。4 快速成形技术在铸造上的应用 快速成形与铸造相结合的产物是快速铸造技术(
12、Quick Casting,简称QC),这种快速铸造使得多种材料、任何形状复杂、 内部结构精细的铸件都能生产出来,产品开发周期短、 精度高,大大地提高了企业获取订单的竞争力,RP 为实现铸造的短周期、 多品种、 低成本、 高精度提供了一个快速响应技术,显示出了强大的生命力和巨大的应用潜力。快速成形技术在铸造上的应用如图 7 所示。 图 7 快速成形技术在铸造上的应用1 直接铸造法 直接铸造法主要是指由 RP技术直接一步成形铸造用的型壳、 型芯,型壳、 型芯经处理后,即可进行金属浇注铸造出金属零件。由于从原型到金属零件不经过造型转化,故称直接铸造法。 该类工艺方法一般用于单件、 复杂零件的制造。
13、 (1)直接壳型铸造:直接壳型铸造是利用激光选择性烧结对以反应性树脂包覆的陶瓷粉进行烧结,可以一步制成铸造用的型壳、型芯的方法。在CAD 环境中,直接将零件模样转换为壳型,再配以浇注系统。型壳的厚度可取 510mm,烧结过程中,非零件部分进行烧结,零件部分仍是粉末。烧结完成后将粉末倒出,再经固化处理就获得铸造用的型壳,进行浇注后即可制得金属零件。用此方法,省去传统精密铸造多种工艺过程,是传统铸造的重大变革。它的最大优点是速度快,不需要任何模具,甚至不需画图,设计工程师通过计算机网络将资料送到铸造车间的系统中便可完成型壳的设计与制作。该工艺的不足之处主要是零件表面粗糙度值较高。 其关键技术是型壳
14、厚度、 型壳表面粗糙度及固化处理工艺。 近几年开发研制的激光快速自动成形系统,还可以利用铸造覆膜砂直接进行选择性激光烧结,制作铸造壳型和壳芯,使这一技术在铸造上的应用得到更进一步的发展。 (2)直接制模铸造:直接制模铸造(Direct Shell Production Casting,缩写为DSPC),其成形方法不是采用激光进行选择性烧结,而是采用粘结剂进行选择性粘接。把CAD 模型转换成模壳,然后以类似于熔模铸造的工艺,制造出金属零件。 从设计到成品零件出厂前后只要 10 天,是金属零件设计和制造上的一个突破。直接制模铸造来源于三维印刷快速成形技术,生产过程如图8 所示。 图 8 直接制模铸
15、造的过程a) CAD 设计好的零件模型 b) 模壳设计装置构造模壳设计 c) 模壳制造装置上表面沉积薄层陶瓷粉 d) 喷墨头喷射微滴粘结剂 e) 过程重复出所有的薄层 f) 取走模壳处的疏松粉 g) 燃烧模壳注入熔融金属 h) 分开模壳露出完成的零件1)将工件原形CAD 模型输入型壳设计装置,生成用于浇注铸件的壳型的电子模样(包括铸件收缩余量、 铸造圆角、 加工余量壳型型腔数目、浇注系统等),进行充型凝固模拟,预测铸造时可能出现的各种问题,完善模型并确定壳型和壳芯的厚度等尺寸,以确定所需制壳材料的重量等参数,如图 8a、b所示。2)把电子模样输至模壳制造装置,由电子模样制成固体的三维陶瓷模壳。
16、 在模壳制造装置上表面沉积一层薄薄的细刚玉粉,由平整辊压平其表面。 由按指令在x-y平面移动的喷头向刚玉粉层表面喷射由压电陶瓷振动雾化并通过电场而带电的硅胶液粘结剂微滴,使形成型壳厚度的刚玉粉层固化,未被粘接的刚玉粉则留做后面沉积层的支撑。反复进行和操作直至构成整个三维壳型,如图8ce 所示。3)去除型壳内外的未被粘接的粉料;然后像熔模铸造一样烘干、烧结型壳,浇注金属液,获得与原形 CAD 模型形状、尺寸相同的铸件,如图 8fh 所示。直接制模铸造从设计到零件交货的周期如图 9 所示。直接制模铸造使熔模铸造成为金属成形方法中更具吸引力的工艺,因为它是一种柔性、环保工艺,几乎所有的复杂外形以及某
17、些复杂的内部结构都能制作。图 9 直接制模铸造的周期该工艺的成形材料也可以是铸造用砂,直接制得铸造用的砂型,浇注后即可获得金属零件。该方法由于设备运行费用低,成形尺寸大,成形材料便宜,适合用于单件大型复杂零件的铸造。2 一次转制法 一次转制法主要是指由 RP技术(如 FDM法、 LOM 法、 SLS法、 SLA法等)提供的原型作为母模,可直接与普通砂型铸造、 熔模铸造、 消失模铸造与真空铸造等铸造工艺结合,制造金属零件。由于从原型到金属零件要经过一次转化,故称一次转制法。 该类工艺方法一般用于单件、 小批量零件生产(1) 普通砂型铸造用模样的快速成型 选用适当的树脂材料制得原型模样,再进行表面
18、喷镀,或者是用 LOM 法制得原型,然后将模样直接安装在模板、 芯盒上使用。 在制作砂型铸造用模样时,还将铸造工艺专用软件与快速成形技术相结合。首先用铸造工艺专用软件在为欲制作的零件加上加工余量、 起模斜度、铸造圆角等。将有关数据一起送入快速成形机中即可自动制作出所需零件的模样。制成的模样可以用来拼装模板,也可以代替传统木模用于手工砂型铸造,过大的模样可以分段制作后再组合。为了节省树脂和上机时间,模样背面通常都制成蜂窝状结构,采用这种结构有时可节省材料 70%。 模样表面厚度和蜂窝状结构的具体尺寸根据模样承受的压力来决定。为了提高模样的耐磨性,可在树脂模样表面喷涂铝合金或特氟隆塑料。用这种工艺
19、生产的一件直径 445mm、 高55mm 的模样,表层厚度1mm,背部蜂窝状结构厚 15mm,在呋喃树脂砂造型线上使用114 次后表面发生局部剥离,到 180次后经局部修整仍可继续使用。在模样尺寸精度方面也是令人满意的,使用该系统生产了近 200 套模具,未发生一次尺寸精度超差的情况。在某次抽查的模样的 20 个尺寸中,偏差在-0.62%+0.9%之间。LOM 纸质原型具有与木模同等水平的强度,等同甚至更优的耐磨性能,可与木模一样进行钻孔等机械加工,也可以进行刮腻子等修饰加工、 其硬度、 强度数据列于表1 中。 因此,以此代替木模,不仅适用于单件铸造生产,而且也能适用于小批量铸造生产。实践中已
20、有使用 300 次以上仍可继续使用的实例(用于铸造机枪子弹)。美国福特汽车公司用 LOM 法制造长685mm 的汽车曲轴模样,先分 3 块制作,然后再拼装成砂型铸造用的模板,尺寸精度达到0.13mm。 表1 模样肖氏硬度比较表(5 次平均值)及模样强度比较试 料硬度/HS受压强度/MPaLOM 模样垂直于纸面LOM 模样平行于纸面铝模杉木模松木模柳安木模45174030202566661536981此外,因其具有优越的强度和造型精度,故还可以用做大型木模。例如,大型卡车驱动机构外壳零件的铸模,其外形尺寸为760mm600mm280mm。可见,使用这种方法制作模样有如下几个优点:制作周期以及消耗
21、工时都大大降低,可以实现无人化操作,不需要熟练的模样工,可减少模样保管场地等。2)精密铸造用熔模的快速成形 几乎所有的快速成形技术制作的原型都可以作为熔模铸造的熔失模,各种快速成形技术用于铸造的优缺点比较见表 2。表2 主要快速原型技术用于铸造的优缺点对比方 法立体印刷选择性激光 融积成 叠层实烧结型体制造材料熔模铸造适应性铸造方法烧(熔)前膨胀性烧(熔)的时间烧(熔)后残留物环氧类中等/好砂型/型壳高中等/快低乙烯类低砂型/型壳高慢中等/高高丙烯类低砂型高慢中等/高高聚碳酸脂好砂型/型壳中等/低快低一般石蜡极好砂型/型壳可忽略快无差石蜡中等/好砂型/型壳可忽略快无差纸中等/好砂型/型壳低慢高
22、般铸件表面光洁程度高SLA 成形材料是丙烯酸脂或环氧树脂等热固性光敏树脂。这些材料只能烧失掉,不能加热熔化。所以成形树脂模样外涂覆陶瓷耐火材料后焙烧,将模样烧掉而剩下陶瓷壳体,将型壳加入背砂浇注金属液,冷却后即可得金属件,该法制作的制件表面光洁。 SLA 制作的模样最初并不能用于熔模铸造生产。 这是由于树脂聚合物模样在结壳后脱模燃烧时的膨胀会导致型壳破裂。经过不断改进,开发出专门为熔模铸造生产设计的机型,制作的树脂模样是中空的,或用薄到 1mm 的肋在三个正交方向互相连接起来的支撑网格来构成其中的中空部分,其外壁开有引流孔将中部未硬化的树脂排出。这样在结壳后燃烧脱模时中空模样首先向内塌缩而不会
23、使型壳开裂。专门为其开发的环氧型树脂,粘度低,在制作中空模样时,从引流孔排除多余树脂时间短,即使是相当复杂的模样也只需 23min。用这种树脂制作的中空模样壁可以很薄(0.30.5mm),刚性好,变形小,而且树脂模样与制壳材料浸润性好,制成的型壳浇注出的铸件表面光洁。 此外这种树脂燃烧性能好,燃烧1g 模样残留灰渣仅为 10g。SLS成形材料可以是熔模铸造用蜡粉、 聚碳酸脂、 尼龙、 ABS塑料等。 石蜡、 聚碳酸脂等热塑性材料,加热后可完全熔化,很适合于熔模铸造。由蜡粉制成的模样可直接进入后续的熔模铸造工序。 聚碳酸脂模制作快、 强度高、 表面粗糙度值低,现已逐步用其代替石蜡模。聚碳酸脂粉末
24、烧结成的中空模样用于熔模铸造生产也很有前途。这种模样对温度变化不敏感,强度高,在制作过程中变形和脆断少,在最后燃烧脱蜡工序中残留灰分少。现在还在研究开发其他粉末材料,如聚苯乙烯和 PMMA,其烧结温度低、强度高、燃烧快、灰分更少。用选择性激光烧结工艺制成的原型尺寸在使用蜡粉时可达(0.130.25)mm,表面粗糙度均方根值在 3.0484.064m 之间。使用蜡粉时垂直方向的成形速度为12.7mm/h,使用聚碳酸脂粉末时为 25.4mm/h。尽管 SLS制作表面粗糙度值高于其他快速成形技术制件,但聚碳酸脂的模可通过在其表面涂蜡而改善。 据统计有30的模样采用该法制模,如北美就有 50 多家铸造
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