一种经济型精密快速原型制造技术

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1 前言

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目前研究比较成熟的快速原型制造技术(RP)主要有：立体平板印刷(SLA)、三维打印(3D-Printing)、叠层制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、融熔堆积法(FDM)。就已有的各种RP 技术来看，在工程实用中有一些急需研究完善的问题：

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1. 精度和分辨率限制在0.1mm 以上。激光切割时因加热熔化造成的边缘热损伤和毛刺使得成形零件的轮廓精度和表面粗糙度较差，为了改善这种情况，需要增加铣削工序。如美国Sanders 公司的“3D-Plotting”技术，在每层成形后，铣削该层的上表面以控制Z向的尺寸。德国Fraunhofer 生产技术研究所的激光快速成形技术，在形成零件的单层后，用一个高速铣削头沿零件的轮廓光整一遍。这样，使得整个成形系统更加复杂，其价格高居不下。 * G- V9 d, A3 X# q5 }9 m
2. 用微孔喷射和挤出成形的技术，微孔易堵塞，工作可靠性有待改进。
3. 某些采用垂直切割的工艺为了减小台阶效应，提高精度，不得不将每层的厚度尽量减小，这就限制了制造速度。 6 u' U% [( C/ s" a4 O; G& j# ^
4. 大多数工艺局限于某种或某几种材料，例如： * n9 @5 _3 ]6 B
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   • SLS 限于石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末热塑性材料：
   • SLA 限于热固性光敏树脂：
   • LOM 限于纸、金属箔、塑料薄膜等薄层材料：
   • FDM 限于蜡、热塑性树脂、低熔点金属等。

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2 刀具切线切割轮廓的厚层叠层制造技术

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1. 原理及特点
   以上这些缺点阻碍了RP 的商业应用。因此，在今后的几年内，精度高、成本低、适用材料范围广的RP技术，将是该领域研究和发展的主流。
   为此，我们开始了基于刀具切线切割轮廓的厚层叠层制造技术的研究。其原理是将零件的三维CAD模型分层，然后用数控铣床加工出各层，再将各层堆叠、粘结、装配成一体，经过适当的后处理(如热压、焙烧等)之后，最后形成的零件不仅具有精确的几何形状，还有良好的功能结构性(图1)。与一般的采用激光切割轮廓的叠层制造及其他快速原型制造技术相比，我们正在研究的基于刀具切线切割轮廓的厚层叠层制造技术，具有精度高、生产效率高、成本低、材料范围广等优点。具体如下：
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   g& {2 a4 D$ q+ v 图1 厚层叠层制造系统的工作过程

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   ( l! u. U& f: @8 B M( g 图2 垂直切割与切线切割比较示意图

   1. 在对零件的CAD模型分层时，根据零件的表面复杂情况进行不等厚分层。 1 d% e' C. Q7 P; l$ r
   2. 加工每个单层采用切线切割，以消除台阶效应(图2)。 3 H" D# d! z6 p+ z2 r9 a I5 X4 d
   3. 正是因为采用切线切割，使得每个单层的厚度可以较大(2～5mm)，而精度却比一般的垂直切割的高。 & r8 a4 I( k6 ?- }2 h
   4. 由于采用刀具(普通的小直径立铣刀)切割轮廓，尺寸精度和表面粗糙度可以达到一般数控加工的效果。 4 [8 f% t9 @4 N: L) a% C3 \% E
   5. 各种工程材料，包括塑料板、环氧树脂板、陶瓷片、金属板材等，都可以作为原材料。 ' j* e( U6 i( g. j- A5 P2 i0 Z
   6. 与采用激光的RP系统相比，整个机械装置相对小、轻、便宜和易于维修。
2. 系统组成方案
   1. 数控机床为了提高精度，我们采用变厚分层、刀具切线切割，因此，所用的数控铣床需要五坐标联动。五个坐标分别是：X、Y、Z、A(绕X轴的旋转)、B(绕Y轴的旋转)。为了降低费用，我们对一台旧的三坐标钻铣床进行了改造：在X、Y工作台上加两个转台(图3)，构成A、B两个坐标。在小转台上安装切割工作台。X、Y、Z、A、B五轴均加装步进电动机，其运动由计算机数控系统控制。
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      ! w! c2 n: t, p/ i( i 1.Y向步进电动机 2.X向步进电动机 3.支板 4.Z向步进电动机 5.小转台 6.大转台 7.U型连接板 8.大转台支板 9.底板 10.切割工作台 图3 五坐标数控铣床示意图

      1.切割工作台 2.垫板 3.已加工工件单层 4.螺栓 图4 装夹方案示意图

   2. 装夹方案为了方便装夹，在切割工作台上加工了若干工艺孔(图4)，加工时，零件的各个单层的装夹可以利用这些工艺孔：或者，根据具体的零件设计出专用夹具。
   3. 堆叠、装配方案在切割各单层轮廓的同时，加工出装配工艺孔。堆叠时，用螺栓或定位销装配，并且各层间采用粘结剂进行粘结，这部分暂时采用手工，待整个加工工艺经过验证可行、成熟时，再实行自动化装配。
   4. 三维CAD 造型软件我们采用的是Pro-Engineering。该软件采用统一数据库管理技术及参数化特征描述方法，具有极强的三维实体造型功能，可以很方便地构造各种复杂的模型。 . B2 w. G" b3 l" P7 M5 b+ B
   5. 切片软件目前一般的快速成形系统的切片软件先将三维CAD文件转换成STL 文件格式(由美国3D Systems 公司首先开发成功，它比较简单，而且与CAD系统无关)，再切片处理成快速成形系统所需的数据。由于我们采用切线切割，对三维9CAD 模型的切片，除了要获得每个单层的轮廓的几何数据，还要获得每个单层的周边切线信息，因此我们采用对三维CAD 模型直接切片的方法。在对零件的三维CAD 模型分层时，根据零件的表面复杂情况进行不等厚分层，变厚分层使效率与精度有机结合起来。
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   我们用聚氯乙烯板、环氧树脂板进行了初步的成形实验。模型的表面粗糙度值达Ra3.2µm，尺寸精度达0.5mm。

通过改造三坐标钻铣床为五坐标数控铣床，利用现有的三维CAD 软件，配置切片软件，达到了降低成本、提高精度和效率的目的。

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