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基于木粉的快速成型方法 |
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作者：陈晶 郭艳玲 |
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在自动化、信息化高度发展的现代社会，人们对产品的需求日趋多样化，产品争夺市场的竞争越来越激烈，要求更新的周期也越来越短，这就要求设计者不但能根据市场的要求设计新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出原型，以便进行必要的性能测试，同时在征求用户意见的基础上做出相应的修改，最后形成能投放市场的定型产品。这样就在激烈的市场竞争中占有先机，抓住机遇，赢得客户。传统的制造方法是采用材料去除的思想生产原件，经过一系列的车、铣、刨、磨等加工过程完成，这样生产出来的原件成本高、周期长，已不能适应日新月异的市场的变化。而快速成型技术在本质上改变了这一传统的制造思想，采用添加材料的加工方法，在制造思想上得到了解放，是一种新型的三维模型制造方法，只需用三维CAD系统建模，生成产品的三维计算机图形，再进行分层处理，通过对成型机的控制即可精确地制造出极为复杂的工件，是一门具有强大生命力的新技术。
1 快速成型技术目前存在的不足
快速成型具有快速性、设计制造一体化、自由成形制造、高度柔性、材料的广泛性、技术的高度集成等优点。像任何一项新技术的产生一样，都要经历逐渐完善的过程，快速成型技术目前正处于这一关键阶段，存在着一些不足。主要集中在下述几点上：
1．1材料成本高
就日前已有的几种快速成型技术来看，普遍存在材料成本高的问题，其中分层物体制造(LOM)的材料最便宜，9.63—17.08美元／kg，材料价格最贵的是立体平板印刷设备(SLA)和熔积成型(FDM)，250-458美元／kg，选择性激光烧结(SLS)的材料价格居中。
清华大学开发研制的低温冰型快速成型方法，以水为原料，价格低廉，成型原件的精度也好，但同时受到低温的限制，还不能在各领域广泛地使用。
1．2 设备价格和系统运行成本高
目前一台快速成型设备需30—50万美元，还不包括系统运行时所需的保护气体、水电动力、房屋、备件和维护费用，以及设备折旧费等。对于采用激光作成型源的RP系统，必须着重考虑激光器的保证使用寿命和维修价格。例如：紫外激光器的保证使用寿命为2000h，紫外激光管的价格达上万美元。另外，由于成型原件在其强度、表面质量等性能在有些情况下还满足不了应用的要求。为了弥补直接成型零件的一些不足之处，我们往往投入大量的人力、物力进行必要的后处理，提高成型件的强度和表面光洁程度。
基于目前快速成型设备和材料存在的以上问题，我们提出一种新的快速成型方法——基于木粉的快速成型方法。在设备方面不采用价格昂贵且使用寿命短的激光器，而是采用价格低廉使用寿命长的机械喷头。材料采用的是木粉，取材广泛，与其它快速成型材料相比成本更低，更环保，更易降解。成型原件外观与木材相似，具有硬木的特点，强度高、不易变形、后处理简单，完全可以在某些场合替代现有的塑料和树脂模型，作为概念原型、功能测试的原型、模具和功能零件使用。
2 基于木粉的快速成型方法
2．1 基于木粉的快速成型机原理
图1 基于木粉的快速成型机原理
RP各种技术的成型都是本着离散和堆积的基本思想。以下结合图1说明基于木粉的快速成型的成型原理。喷嘴在微机控制下按加工零件各分层截面的形状运动并在工作台上喷液态胶，在左侧有一送粉的小车，将有胶的表面铺上木粉、压实，从而形成一个固化的层面。当一层完成后，未被喷胶的地方仍是粉末状的木粉。然后，升降台带动基板再下降一层高度，接着进行第二层喷胶。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。
2．2 基于木粉的快速成型机的工作过程
首先由CAD软件生成曲面或实体模型，然后将CAD模型转化成STL文件格式，利用预处理软件，由STL模型获得一层一层的平面信息，分层厚度可以调节，利用层片信息驱动喷嘴，完成胶的喷涂，记下来由快速成型机的供粉和铺粉系统完成铺粉、压实等动作。如此循环制作出原型件。最后，为了满足实际情况和技术要求，我们要对原型件进行二次固化及进行必要的修整等。
基于木粉的快速成型系统的工作过程如图2所示。
图2 基于木粉的快速成型系统的工作过程
2．3 基于木粉的快速成型机的供粉及铺粉系统
在完成了原形的概念设计，计算机CAD建模，经过切片程序离散，转化为快速成型即可执行的信息的基础上，就是成型机要完成的动作，开始送粉和铺粉。
2．3．1供粉及铺粉系统的组成
供粉和铺粉系统由床身、供粉缸、成型缸、铺粉辊筒等组成。由供粉缸的步进电机带动丝杠使供粉缸的活塞上下移动，调节木粉层厚以实现高度方向的定值进给，进给量由分层的厚度决定，每完成一层成型，成型缸便下降一层高度。同时送粉缸活塞提高一层高度。图3是供粉及铺粉的工作过程。
2．3．2铺粉辊筒的运动
(b) 木粉送至成型缸 (a)供粉缸活塞上升
(c)铺覆木粉
图3
铺粉辊筒有三个运动，一个是在水平方向自右向左的平动，一个是自身的转动和振动。其中辊筒的平动速度和自身的转动速度对最终原件的密度都有很大的影响，我们要根据实际情况，木粉的粒度进行调解。辊筒自身的振动是辊筒在垂直于粉末层表面的方向，沿径向振动。是为了破坏木粉颗粒的拱桥效应，提高粉末层的密度。
基于木粉的快速成型方法，具有成本低廉，绿色环保的优点。在一定程度上弥补了现有快速成型设备和材料的价格高问题，具有良好的发展前景，它会被广泛地应用到在社会主义现代化建设的各个领域，为加速我国家电、信息技术、军工、机械、生物医药制造等行业新产品开发发挥了积极的作用。
参考文献
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(8/1/2006) |
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