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合肥工业大学快速成型平时习题

1.快速成型工艺过程分为哪三个阶段(P28-P32)

前处理:(1)CAD 三维造型(2)数据转换(3)确定摆放位置(4)施加支撑(5)切片分层;

原型制作;

后处理:主要包括原型的清理、去除支撑、后固化以及必要的打磨等工作。

2.叙述光固化快速成型的原理(P14-P15)

光固化快速成型工艺的液槽中盛满液态光敏树脂,氦—镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束,在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描,使被扫描区域的数值薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。一层固化完毕后,工作台下移一个层厚的距离,以使在原先固化好的树脂表面再覆上一层新的液态数值,刮板将粘度较大的树脂液面刮平,然后进行下一层的扫描加工,新固话的一层牢固地粘贴在前一层上,如此重复直至整个零件制造完毕,得到一个三维实体原型。

3.光固化快速成型的特点(P16)

(1)光固化成型的优点

1)成型过程自动化程度高。

2)尺寸精度高,可达到±0.1mm

3)优良的表面质量

4)可以制作结构十分复杂, 尺寸叫惊喜的模型

5)可制作具有中空结构的消失型

6)制作原型可在一定程度上替代塑料件

(2)光固化成型的缺点

1)制件较易弯曲

2)性能尚不如常用的工业塑料,一般较脆,易断裂。

3)运转及维护费用高

4)使用的材料种类较少

5)液态树脂有一定的气味和毒性

6)通常需要二次固化

4.光固化成型有几种常见的固化方式(P47-P53)

传统:光固化快速成型工艺,简称SLA

微光固化快速成型制造技术,SL -μ

基于单光子吸收效应的SL -μ技术&&基于双光子吸收效应的SL -μ技术

5.光固化成型的后处理工艺过程(P32)

光固化成型的后厨艺主要包括原型的清理、去除支撑、后固化以及必要的打磨等工作。 以某一SLA 原型为例给出其后处理过程

1)原型叠层制作结束后,工作台升出液面,停留5~10min

2)将原型和工作台网一起斜放晾干,并将其浸入清洗液中。

3)去除支撑结构

4)再次清洗后置于紫外线烘箱中进行整体后固化

6.光固化成型的支撑结构的类型和作用(P29-P30)

施加支撑是光固化快速成型制作前处理阶段的重要工作。在光固化快速成型过程中,由于未被激光束照射的部分材料仍为液态,它不能使制件截面上的挂历轮廓和悬臂轮廓定位,因此对于这样一些结构,必须在制作前对其施加支撑。目前比较先进的支撑类型为点支撑,即在支撑与需要支撑的模型面是点接触。

常用的支撑结构类型和作用:

斜支撑主要用于支撑悬臂结构部分,它在成型过程中为悬臂提供支撑,同时也约束悬臂的翘曲变形;

直支撑主要用于支撑腿部结构;

单腹板、双腹板主要用于大面积的内部支撑;

十字壁板主要用于孤立结构部分的支撑。

7.光固化原型工艺中的收缩变形来自于那几个方面(P32-34)

1)零件成型过程中树脂收缩产生的变形

2)零件后固化时收缩产生的变形

8.影响光固化原型精度的因素有哪些?为提高原型精度,各因素是如何控制的?(P34-P44)

1)几何数据处理造成的误差

2)成型过程中材料的固化收缩引起的翘曲变化

3)数值涂层厚度对精度的影响

4)光学系统对成型精度的影响

5)激光扫描方式对成型精度的影响

6)光斑直径大小对成型精度的影响

7)激光功率、扫描速度、扫描间距产生的误差

9.影响光固化原型制作时间的因素有哪些(P44)

光固化成型零件是由固化层逐层累加形成的,成型所需要的总时间由扫描固化时间及付诸实践组成,可表示为

P N

i ci Nt t t +=∑=1

式中

t ——成型一个零件所需要的总时间;

ci t ——第i 层固化所需要的时间,ci t 与零件的体积V 及制作零件的层数N 有关,可以表示为N kV t ci /=,k 表示扫描单位体积所需要的时间;

P t ——层辅助时间,一般情况下,P t 可以近似认为是常数,付诸实践主要包括工作台的运动时间,每层零件的涂覆时间和层间等待时间;

N ——零件的总层数

成型过程中,每层零件的层辅助时间P t 与固化时间ci t 的比值η反映了成型设备的利用率,可以通过下式表示

kV

N t t t P ci P ==η 可以看出,当实体体积越小,分层数越多时,辅助时间所占的比例就越大,如制作大尺寸的薄壳零件,这时成型设备的利用率很低。因此在这种情况下,减少辅助时间对提高成型效率是非常有利的。

选择性激光烧结工艺参数

1.叙述选择性激光烧结快速成型工艺的基本原理。(P74)

选择性激光烧结加工过程是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面,并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度,控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描,是粉末的温度升至熔点,进行烧结并与下面已成型的部分实现粘接。当一层截面烧结完后,工作台下降一个层的厚度,铺粉辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末,进行新一层截面的烧结,直至完成整个模型。在成型过程中,未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用,不必像SLA 工艺那样另行生成支撑工艺结构。SLS 使用的激光器是2CO 激光器,使用的原料由蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、纤细尼龙、金属,以及一些发展中的物料。

当实体构建完成且原型部分充分冷却后,粉末块上升至初始的位置,将其取出并放置到后处理工作台上,用刷子刷去表面粉末,露出加工件,其余残留的粉末可以用压缩空气除去。

2..选择性激光烧结工艺的特点有哪些?(P75-P76)

优点:

1)可采用多种材料。能够直接制作金属制品

2)可制造多种原型。

3)高精度。

4)无需支撑结构。

5)材料利用率高。

缺点:

1)表面粗糙。

2)烧结过程挥发异味。

3)有时需要比较复杂的辅助工艺。

3.叙述高分子粉末材料的烧结工艺过程。(P82-P83)

高分子粉末材料激光烧结快速成型制造工艺过程分为前处理、粉层烧结叠加以及后处理三个阶段。

1)前处理 前处理阶段主要完成模型的三围CAD 造型,并经STL 数据转换后输入到

粉末激光烧结快速成型系统中。

2)粉层激光烧结叠加 在叠层加工阶段,设备根据原型的结构特点,在设定的建造参数下,自动完成原型的逐层粉末烧结叠加过程。首先需要对成形空间进行预热,在预热阶段,根据原型结构特点进行制作方位的确定。当摆放方位确定后,将状态设置为加工状态。

然后设定建造工艺参数,如层厚、激光扫描速度和扫描方式、激光功率、烧结间距等。当成型区域的温度达到预定值时,便可以制作了。在制作过程中,根据截面变化,相应调整粉料预热的温度。当所有叠层自动烧结叠加完毕后,需要将原型在成型在成型缸中缓慢冷却至40℃以下,取出原型并进行后处理。

3)后处理 激光烧结狗的PS 原型件,强度很弱,需要根据使用要求进行渗蜡或渗树脂等补强处理。

4.简述金属粉末材料间接烧结工艺过程。(P83-P85)

工艺过程主要分三个阶段:一是SLS 原型件(“绿件”)的制作,二是粉末烧结件(“褐件”)的制作,三是金属熔渗后处理。

原型件制作:CAD 模型→分层切片→激光烧结(SLS )→RP 原型(绿件)→

褐件制作:二次烧结(800℃)→三次烧结(1080℃)→

其他后处理:金属熔渗→金属件

合肥工业大学快速成型平时习题

5.简述金属粉末材料直接烧结工艺过程。(P85-P86)

金属零件直接烧结工艺采用的是纯粹的金属粉末,是采用SLS 工艺中的激光能源对金属粉末直接烧结,使其熔化,实现叠层的堆积。其工艺流程如下:

CAD 模型→分层切片→激光烧结(SLS )→RP 原型零件→金属件

6.高分子材料粉末激光烧结原型的后处理一般有哪两种方式?各自面向的用途是什么?(P87)

高分子粉末材料烧结件的后处理工艺主要有渗树脂和渗蜡两种。

当原型件主要用于熔模铸造的消失型时,需要进行渗蜡处理;

当原型件为了提高强硬性指标时,需要进行渗树脂处理。

7.粉末激光烧结快速原型工艺中的烧结工艺参数主要有哪些?它们是如何影响原型尺寸和性能的?(P89-P90)

1)激光功率

随着激光功率的增加,尺寸误差向正方向增大,并且厚度方向的增大趋势要比长宽方向的尺寸误差大。当激光功率增加时,强度也随着增大。

2)扫描速度

扫描速度对原型尺寸精度和性能的影响正好与激光功率的影响相反。当扫描速度增大时,尺寸误差向负误差的方向减少,强度减小。

3)烧结间距

随着扫描间距的增大,尺寸误差向负误差方向键小,同时强度减小。

4)单层厚度

随着单层厚度的增加,强度减小,尺寸误差向负方向减小。

后处理

熔融沉积快速成型工艺

1.叙述熔融沉积工艺的基本原理。(P91-P92)

熔融沉积又叫熔丝沉积,它是将丝状的热熔性材料加热融化,通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿x轴方向移动,而工作台则沿y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度,而成型部分的温度稍低于固化温度,就能保证热熔性材料即喷出喷嘴后,随机与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后,工作台按预定的增量下降一个层的厚度,再继续熔喷沉积,直至完成整个实体模型。

熔融沉积制造工艺的基本原理如图所示,其过程如下:

合肥工业大学快速成型平时习题

将实心丝材原材料缠绕在供料辊上,由电动机驱

动辊子旋转,辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头

的出口送进。在供料辊与喷头之间有一导向套,导向

套采用低摩擦材料制成,以便丝材能顺利、准确地由

供料辊送到喷头的内腔。喷头的前端有电阻丝式加热

器,在其作用下,丝材被加热熔融,然后荣国出口涂

覆至工作台上,并在冷却后形成界面轮廓。由于受结

构的限制,加热器的功率不可能太大,因此丝材一般

为熔点不太高的热塑性塑料或蜡。丝材熔融沉积的层

后随喷头的运动速度而变化,通常最大层厚为

0.15~0.25mm。

2.熔融沉积成型的特点有哪些?(P93)

优点:

1)整个系统构造原理和操作简单,维护成本低,系统运行安全。

2)可以使用五毒的原材料,设备系统可在办公环境中安装使用。

3)用蜡成型的零件原型,可以直接用于熔模铸造。

4)可以成型任意复杂程度的零件。

5)原材料在成型过程中无化学变化,制件的翘曲变形小。

6)原材料利用率高,且材料寿命长。

7)支撑去除简单,无需化学清洗,分离容易。

8)可直接制作彩色原型。

缺点:

1)成型件的表面有较明显的条纹。

2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱。

3)需要设计与制作支撑结构。

4)需要对整个截面进行扫描涂覆,成型时间长。

5)原材料价格昂贵。

3.双喷头熔融沉积工艺的突出优势是什么?(P92)

双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外,还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料,以便于后处理过程中支撑材料的去处,如水溶材料,低于模型材料熔点的热熔材料等。

4.熔融沉积工艺成型过程影响因素有哪些?这些因素是如何影响成型过程

的?(P103-105)

1)材料性能的影响

材料在工艺过程中要经过固体—溶体—固体的两次相变,在凝固过程中,由材料的收缩而产生的应力变形会影响成型件精度。收缩的因素主要有热收缩及分子取向的收缩两点。

2)喷头温度和成型室温度的影响

喷头温度决定了材料的粘接性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。

成型室的温度会影响到成型件的热应力大小。

3)挤出速度的影响

在与填充速度合理匹配范围内,随着挤出速度增大,基础司的截面宽度逐渐增加,当挤出速度增大到一定值,挤出的丝黏附于喷嘴外圆锥面,就不能正常加工。

4)填充速度与挤出速度交互的影响

填充速度应与挤出速度匹配,填充速度比挤出速度快,则材料填充不足,出现断丝现象,难以成型。相反,填充速度比挤出速度慢,熔丝堆积在喷头上,使成型面材料分布不均匀,表面会有疙瘩,影响原型质量。

5)分层厚度的影响

分层厚度是指在成型过程中每层切片截面的厚度。由于每层有一定厚度,会在成型后的实体表面产生台阶现象,这将直接影响成型后实体的尺寸误差和表面粗糙度。

6)成型时间的影响

每层的成型时间与填充速度、该层的面积大小及形状的复杂度有关。在加工时,控制好喷嘴的工作温度和每层的成型时间,才能获得精度较高的成型件。

7)扫描方式的影响

合理的扫描方式可以提高表面精度,也可以简化扫描过程,提高扫描效率。扫描方式与原型的内应力密切相关,合适的扫描方式可降低原型内应力的积累,有效方式零件的翘曲变形。

5.气压式熔融沉积快速成型工艺的基本原理是什么?与传统的FDM工艺相比有哪些不同之处?(P106-P107)

基本原理:

被加热到一定温度的低黏性材料(该材料可由不同相组成,如粉末—粘结剂的混合物),通过空气压缩机提供的压力由喷头挤出,涂覆于工作平台或前一沉积层之上。喷头按当前层的层面集合形状进行扫描堆积,实现逐层沉积凝固。工作台由计算机系统控制做x,y,z三维运动,可逐层制造三维实体和直接制造空间曲面。

不同之处:

与传统的FDM工艺相比,AJS系统具有的不同之处主要表现在如下三个方面:

1)FDM工艺一般采用低熔点丝状材料。AJS系统无需再采用专门的挤压成丝设备来制造丝材,工作时只需将热塑性材料直接导入喷头的腔体内,依靠加热装置将其加热到熔融挤压状态,不但避免了必须采用丝形材料这一限制,而且节省了一道工序,提高了生产效率。

2)所选的空气压缩机可提供1MPa范围内任何大小的气压,能准确控制送入加热室的压缩气体压力恒定。压力装置结构简单,提供的压力稳定可靠,成本低。

3)传统的FDM有较重的送丝机构为喷头输送原料,即用电动机驱动一对送进轮来提供推力,送丝机构和喷头采用推、拉相结合的方式向前运动,作用原理类似于活塞,难免会有由于送丝滚轮的往复运动,致使挤出过程不连续和因震动较大而产生的运动惯性定位精度的影响。改进后的AJS系统由于没有了送四部分而使喷头变得轻巧,见笑了机构的振动,提高了成型精度。