快速成形技術(shù)中材料成形性的研究進(jìn)展

李親知

摘 要 本文簡(jiǎn)要介紹了幾種典型快速成型技術(shù)的基本原理，分析了材料在快速成型技術(shù)中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，并討論了快速成型技術(shù)中材料的快速成型問(wèn)題。 指出快速成型材料的研發(fā)和新材料的快速成型是材料和制造工程科學(xué)的重要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 快速成形 材料成形性 研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TG39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

快速成型技術(shù)RP&M;在20世紀(jì)80年代后期起源于美國(guó)，當(dāng)時(shí)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是CAD / CAM技術(shù)的發(fā)展，人們可以直接獲得3D數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)零件，然后使用分層切片軟件，通過(guò)使用這種方法，我們可以快速生產(chǎn)具有非常復(fù)雜形狀的三維固體零件而無(wú)需夾具或模具。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了十多種不同的RP&M;系統(tǒng)，包括SLA、 SLS、FDM、LOM與3DP。

1快速成形技術(shù)中各種材料的研究現(xiàn)狀

1.1 RP&M;技術(shù)

RP&M;技術(shù)在十多年的發(fā)展歷程中，平均每年都有新技術(shù)發(fā)展。 目前已形成十幾種先進(jìn)技術(shù)。SLA技術(shù)被廣泛用于為產(chǎn)品和模型的CAD設(shè)計(jì)提供樣本和測(cè)試模型。它也可以間接用于生產(chǎn)金屬零件，方法是添加其他組件以替代SLA原型中用于熔模鑄造的蠟?zāi)?，各種金屬零件也可以通過(guò)石蠟鑄造中的蠟?zāi)５热勰ｈT造生產(chǎn)。日本開發(fā)了基于SLA工藝的桌面微加工系統(tǒng)和特殊的光固化樹脂材料。激光源被光點(diǎn)尺寸為5%em的紫外光代替，并制成各種微型部件的原型。其中一個(gè)微彈簧的直徑只有50微米，長(zhǎng)度只有250微米。另一種管狀單向閥的內(nèi)徑為80微米，X和Y方向?yàn)?.25微米，Z方向?yàn)?微米，最小成形單元尺寸僅為5微米？微米？微米。

1.2 SLS技術(shù)

目前，對(duì)涂覆樹脂砂或反應(yīng)性樹脂涂層陶瓷粉作為原料進(jìn)行了大量研究。SLS技術(shù)的常用原材料是塑料，蠟，陶瓷，金屬及其復(fù)合粉末。趙劍鋒等人采用SLS技術(shù)制備了整體式葉輪和齒輪（樹脂涂層砂：環(huán)氧樹脂10：1），摩托車燈和扶手樣機(jī)，葉輪鑄造蠟?zāi)?。他們還根據(jù)零件CAD設(shè)計(jì)提供STL文件，并通過(guò)分層切分?jǐn)?shù)據(jù)獲得零件的正激光掃描軌跡，并在一定程度上反轉(zhuǎn)。在得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究了不含聚合物粘合劑的金屬粉末（Cu-Sn，Ni-Sn或青銅鎳粉）的SLS成型，并且成功地制造了金屬模具。近年來(lái)，他們已成功制造用于INCONEL625高溫合金的金屬部件和用于F-14和AIM-9導(dǎo)彈的Ti-6A1-4V合金， Kruth等人也成功地?zé)Y(jié)了Fe-Cu合金粉末。

1.3 LOM 技術(shù)

LOM技術(shù)除了模具和模型之外，它還可以直接制造結(jié)構(gòu)或功能部件。常用原材料是紙張，金屬箔，塑料薄膜，陶瓷薄膜等。Donald A. Klosterman等人使用這種技術(shù)來(lái)制備陶瓷部件和陶瓷復(fù)合材料。LOM成形部件的性能與干壓法相近，但制造效率高，有利于制備幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。近年來(lái)，該方法已被用于使用預(yù)浸料坯作為原料來(lái)制造聚合物基體復(fù)合材料。LOM技術(shù)具有成形速度快，制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于材料薄膜厚度的限制，未處理的表面不光滑，因此需要退回。

1.4 FDM 技術(shù)

FDM技術(shù)可直接用于制備金屬零件和多種型號(hào)，所使用的材料是線材，包括蠟，塑料，低熔點(diǎn)金屬和陶瓷等，通過(guò)Robert W.Gray IV和FDM技術(shù)制備短熱致液晶（TLCP-熱致液晶聚合物）纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物復(fù)合材料。美國(guó)陶瓷研究中心的MukeshAgarwala使用改進(jìn)的FDM，即FDC（熔融沉積陶瓷），以將金屬絲代替陶瓷材料制備陶瓷部件。他們使用GS-44導(dǎo)線，R系列粘合劑，熔化溫度為100～150℃，然后經(jīng)過(guò)熱處理和高溫加壓燒結(jié)。GS-44主要由Si3N4和約10體積%的氧化物燒結(jié)助劑組成。在高溫下，氧化物熔融提供液相致密化，并且%Z-Si3N4轉(zhuǎn)化為%[-Si3N4。

1.5 3DP 技術(shù)

3DP技術(shù)中常用的材料包括陶瓷，金屬和塑料粉末。P.F.Blazdell等人使用60%ZrO2漿料通過(guò)多層印刷來(lái)制造陶瓷坯料。Jason Grau等人使用3DP技術(shù)來(lái)制備用于漿料澆注的氧化鋁模具以取代傳統(tǒng)的石膏模具。美國(guó)Soligen公司使用這種3DP原理來(lái)制造陶瓷鑄造外殼。燒結(jié)后可直接鑄造金屬部件（直接外殼生產(chǎn)鑄造（又稱DSPC法），3DP技術(shù)成本較低，成型速度較快，但粉末層松動(dòng)影響成型強(qiáng)度和精度組件。

2材料成形性相關(guān)問(wèn)題研究

2.1材料成形原理

在SLA工藝中，樹脂材料在樹脂材料的成型過(guò)程中逐層固化。聚合物的結(jié)晶，取向和交聯(lián)與掃描方向之間的關(guān)系直接決定了成形材料的性質(zhì)。同時(shí)，掃描線方向X方向的性能，層面疊加方向（Z方向）的性能是否與Y方向材料相同。在SLS工藝中，研究了燒結(jié)金屬粉末的凝固過(guò)程和致密化機(jī)理，樹脂粉末燒結(jié)過(guò)程中分子鏈構(gòu)象的形成規(guī)律，陶瓷粉末的非平衡燒結(jié)特性以及微觀結(jié)構(gòu)的形成和復(fù)合，粉末中各組分的相互作用需要進(jìn)一步研究。此外，還討論了FDM工藝中塑料，金屬，陶瓷及其復(fù)合材料的層壓機(jī)理，如噴嘴中固態(tài)到液態(tài)形成材料，噴嘴出口后凝固成固相的層壓機(jī)制，3DP技術(shù)中塑料，金屬，陶瓷及其復(fù)合材料的層壓機(jī)理，材料在處理過(guò)程中的致密化機(jī)理存在許多問(wèn)題需要明確和控制。

2.2材料的成形性

與材料的可加工性，鑄造性，鍛造性和可焊性相對(duì)應(yīng)，材料在快速成型中的可成型性可以定義為適用于快速成型和加工的材料的難易程度和質(zhì)量?？梢钥闯觯牧系目焖俪尚筒粌H與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與成形材料或部件的成形方法和結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。材料的快速成型應(yīng)主要包括成形材料的密度和孔隙率，成形材料的微觀結(jié)構(gòu)是否滿足成形材料或零件的要求，成形材料或零件的精度和表面粗糙度以及成形材料的收縮率（內(nèi)部應(yīng)力，變形和開裂）并滿足不同快速成型方法的具體要求。

3結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)研究的不斷深入和科學(xué)數(shù)據(jù)的積累，快速成型技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將會(huì)得到推進(jìn)。同時(shí)，快速成型過(guò)程中新材料行為的研究促進(jìn)了材料科學(xué)的快速發(fā)展，為新材料在制造業(yè)的廣泛應(yīng)用開辟了一條新道路。

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