分层雕刻快速成形技术关键工艺研究及改善

摘要

伴随制造领域全球化、信息化、自动化和智能化技术的发展,先进制造技术(AMT)正逐步改变和取代着传统制造方法,为制造业的发展带来新的生机。其中的快速成形技术(RP)从成形理念上使制造技术得到了新的飞跃,它使得单个零件、复杂零件的生产更为容易。做为新兴的数字化制造技术,快速成形可以将设计思想从CAD模型迅速物化为一定功能的原型件,有效缩短了产品的研发周期,特别适用于新产品试制和单件定制化零件的生产,同时也为大规模定制(MC)生产模式中高度定制化零件的制造带来新的选择。目前,国内外科研工作者在光敏树脂、金属粉末材料成形方面做了大量工作,并取得了许多可喜的成果,但是在陶瓷材料方面的研究相对较少。
　　 本文在专利基础上提出一种分层雕刻快速成形技术。该技术将叠层实体(LOM)制造技术与雕刻技术相结合,使用逐层叠加的方法制备三维陶瓷制件。通过实验,制备出了具有不同特征的三维陶瓷制件,并对该技术的成形原理、制造工艺、制件误差进行了深入分析和探讨。具体工作如下:
　　 第一,根据快速成形原理,在雕刻机基础上,构建了分层雕刻快速成形系统结构。分析了设备目前所存在的问题,如铺料效率低,质量差等缺陷。进而应用TRIZ理论对铺料装置进行了理论设计;并针对快速成形技术的要求和特点,设计了成形参数管理数据库,改善了以往加工数据存储杂乱,使用、查询、修改和网络共享不方便等众多问题。
　　 第二,应用计算机辅助技术(CAX)帮助确定成形参数及快速进行产品设计。首先,对浆料注入的成形过程进行了CAE分析。使用通用有限元软件ADINA对蜡料冲模过程进行热分析,直观给出在成形过程中的温度分布情况,对确定蜡料的填充温度给以帮助,通过模拟分析确定了合适的浆料注入问题;其次,本文在常用的三维建模软件Pro/E的基础上,探讨并研究了制件的参数化设计技术,使用Pro/Toolkit进行二次开发,通过实例探讨了整个开发过程。制件的参数化设计是快速成形技术必备的CAD方法,它使得设计过程更加迅速,满足了试制件各参数根据需要的不断修改的实际需求,使快速成形技术在新产品开发中发挥更大的作用;此外,应用type3的CAM模块根据工艺路线自动生成加工路径,经过编辑修改为雕刻机可识别的.U00格式文件,实现制件预期的加工效果。
　　 第三,对分层雕刻技术加工过程所产生的误差进行分析,并提出了改善方法。根据分层雕刻快速成形技术的工艺过程,分别讨论了前处理过程产生的误差,成形过程的误差和后处理产生的误差。由于分层雕刻技术是现代数控技术与快速成型技术的结合,其产生误差原因与传统快速成形技术有许多相似,但更重要的是其具有许多不同。通过理论分析和计算,分层雕刻技术在台阶效应方面的误差比传统RP技术高一个数量级。随着叠加层数的增加,分层雕刻技术的优越性将更加明显。
　　 最后,根据制造过程中遇到的一些问题,提出了一种基于石蜡的陶瓷零件一体化快速成形方法,该技术通过快速成形技术得到中空蜡模,然后将陶瓷浆料一次性注入,简化了原有技术的操作,提高了制造效率,同时得到的零件没有层间效应,具有更高的表面精度和强度。
　　 本课题对于分层雕刻技术成形陶瓷零件的关键工艺进行了分析,使快速成形技术在陶瓷材料成形方面得到了进一步发展,对于三维复杂陶瓷零件的制备具有重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 典型陶瓷制件成形方法

1.3 快速成形技术

1.3.1 RP原理及特点

1.3.2 RP在陶瓷制件制造中的应用

1.4 分层雕刻快速成形技术简介

1.4.1 分层雕刻快速成形原理

1.4.2 国内外相关研究

1.4.3 分层雕刻快速成形工艺特点

1.5 课题主要工作及创新点

2 分层雕刻快速成形系统设计与分析

2.1 分层雕刻快速成形系统组成

2.1.1 三维建模系统

2.1.2 分层处理系统

2.1.3 机械制造系统

2.1.4 后处理系统

2.2 制造工艺探讨与成形设备分析

2.2.1 分层雕刻快速成形加工工艺

2.2.2 现有设备存在的问题

2.2.3 基于TRIZ理论的铺料装置的设计

2.3 成形参数管理数据库开发

2.3.1 RP参数管理特征

2.3.2 参数管理数据库概念设计

2.3.3 LCOMS参数数据库的实现

2.3.4 使用Visual Basic访问数据库

2.4 本章小结

3 实验材料与成形温度的确定

3.1 成形材料的选择

3.1.1 蜡板材料的选择

3.1.2 制件材料的选择

3.2 基于ADINA的成形温度模拟

3.2.1 ADINA热分析的应用及其原理

3.2.2 前处理

3.2.3 加载

3.2.4 求解与后处理

3.2.5 结果分析

3.3 本章小结

4 成形试验过程与应用

4.1 三维CAD模型的构建

4.2 基于Pro/Toolkit的参数化设计

4.2.1 参数化设计的系统结构

4.2.2 参数化设计系统的开发

4.2.3 参数化设计系统的实现

4.3 分层处理

4.3.1 STL文件及其处理

4.3.2 分层方向选择

4.4 单层雕刻与逐层叠加

4.4.1 单层图形获取

4.4.2 制件CAM过程及其仿真

4.5 三维陶瓷制件的制备

4.6 后处理

4.7 本章小结

5 误差、缺陷分析与改善及工艺改进

5.1 LCOM误差、缺陷分析

5.1.1 前处理过程中产生的误差

5.1.2 成形过程中的误差

5.1.3 加工方法的误差

5.1.4 后处理产生的误差

5.2 误差改善及制造工艺改进

5.2.1 误差的预防与改善

5.2.2 制造工艺改进

5.2.3 浆料注入平衡分析

5.3 本章小结

6 研究总结与展望

6.1 论文总结

6.2 LCOM研究展望

6.2.1 信息技术的应用

6.2.2 制造对象的发展

6.2.3 分析技术的进步

致谢

参考文献

附录A:浆料注入平衡设计的VB程序

攻读硕士学位期间发表的学术论文目录