陶瓷零件快速成型机的设计及材料成型工艺研究

摘要

陶瓷零件快速成型技术的迅速发展对于缩短陶瓷零件的开发和制造周期、降低生产成本以及开发特种异型陶瓷制品并进行性能评价具有重要意义。 目前，可用于制备陶瓷零件的快速成型工艺主要有立体光刻成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、熔融堆积成型(FDM)、选域激光烧结(SLS)和三维印刷(3DP)等，可用于制造陶瓷零件的快速成型机主要有：叠层成型机、光敏固化成型机、激光烧结成型机、熔融沉积成型机和喷墨打印成型机等。 上述这些设备中，激光设备造价偏高，喷墨打印和熔融沉积设备对陶瓷材料的流动性要求较高，不易控制。因此，目前研究的趋势之一便是开发一种专用于陶瓷零件快速成型的工艺及设备。 本论文在LOM和FDM的基础上，提出了一种利用蜡浆为造型材料，石蜡为支撑材料，将陶瓷浆料逐层叠加，再经过排蜡和烧成处理，从而获得陶瓷零件的层合速凝快速制造技术。设计了一套基于石蜡速凝特性的层合快速成型系统，包括机械设备子系统的设计及PLC控制系统的设计开发。并研究和讨论了陶瓷材料的层合速凝快速成型工艺。 介绍了层合速凝快速成型系统的结构设计，-- 其主要组成部分为：(1)刻料系统，采用啄木鸟DX4525型雕刻机的原理和机构；(2)铺料系统，包括竖直和水平两部分，铺料平台的升降由步进电机带动滚珠丝杠导轨机构实现，料仓的水平运动采用步进电机带动丝杠导轨机构实现。其中，料仓分为两部分，分别盛放石蜡和陶瓷浆料，料仓中装有搅拌辊，使浆料在铺料过程中被搅拌均匀，不发生沉淀。料斗外壳装有加热板，使石蜡被加热处于熔融状态，料斗侧面装有刮板，与料斗同处于被加热状态，使其在刮平过程中不粘连浆料或石蜡。工作时，先在铺料台上铺一层石蜡，用刻刀将所需要的形状镂空，再铺一层陶瓷浆料，用刮板将多余的浆料刮走，镂空部分被陶瓷浆料填充。重复上述步骤，逐层叠加，形成实体。成型系统中铺料平台的可拆卸性使成型机同时具备去除材料和添加材料两种加工功能，可以满足不同的加工要求。其特有的搅拌装置和加热装置使该设备专用于陶瓷零件的快速成型，与现有的大部分陶瓷零件快速成型设备相比，具有更强的针对性。 用PLC对铺料系统的工艺过程按照控制要求编制程序，对步进电机及驱动器进行了选取。经调试，控制系统符合工艺要求，程序合理可行。 根据快速原型制造技术的原理制备了石蜡薄层，并对其进行雕刻，而后进行陶瓷蜡浆的填充以及逐层累积的工序操作，手工制备出一些形状简单的原型试样，并对试样进行了排蜡和烧成处理，观察到试样在排蜡烧成后并未出现变形情况。另外对叠层和未叠层试样进行了机械性能测试和断面形貌的扫描，结果发现叠层材料和未叠层材料的强度相差不大，且叠层试样并未出现分层现象，验证了本技术成型陶瓷零件的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述

1.1快速原型制造技术概述

1.1.1快速原型制造技术的概念及原理

1.1.2快速原型制造技术的分类

1.1.3快速原型制造技术的过程和特点

1.2快速原型制造技术在陶瓷领域的应用

1.2.1陶瓷零件快速原型制造技术的国内外研究现状

1.2.2陶瓷快速原型制造专利

1.2.3同信技术研究所近几年在快速成型技术方面的研究进展

1.3快速原型制造技术研究现状、存在问题及发展趋势

1.4课题研究的主要内容

1.4.1技术提出的目的及意义

1.4.2技术构想

1.5课题的创新之处

2陶瓷零件快速成型机的结构设计

2.1设计原理

2.1.1分层实体制造(LOM)技术原理

2.1.2熔融沉积成型(FDM)原理

2.1.3数控雕刻机原理

2.2工作原理

2.3结构设计

2.3.1传动方案的确定

2.3.2机架及刻料系统的设计

2.3.3作台水平运动装置和铺料平台设计

2.3.4料斗的设计

2.3.5 pro/e三维造型

2.3.6计算机控制系统

2.4整机特点、技术性能及适用范围

2.4.1特点

2.4.2技术性能

2.4.3适用范围

2.5本章小结

3控制系统设计

3.1 PLC简介

3.1.1 PLC控制器的特点

3.1.2 PLC的基本功能

3.1.3 PLC的基本组成

3.1.4 PLC的规模和常用名称

3.2 PLC编程

3.2.1铺料系统的工艺过程及处理程序流程

3.2.2铺料系统的控制要求

3.2.3 PLC的I/O分配

3.2.4 PLC控制系统梯形图

3.3步进电机的选择

3.3.1步进电机的特点

3.3.2步进电机的选用

3.3.3步进电机的技术参数

3.3.4步进电机的控制

3.3.5步进电机接线图

3.4步进电机驱动器的选择

3.4.1步进电机驱动器的选择原则

3.4.2步进电机驱动器的选型和特点

3.4.3驱动器接线图

3.5电机与驱动器的连接

3.5.1电机与驱动器的接线图

3.5.2电源接口的选取

3.6程序调试

3.7本章小结

4陶瓷材料成型工艺研究

4.1成型工艺实验设计

4.1.1实验方案设计

4.1.2原料的组成及其特性

4.1.3成型工艺

4.1.4试样的制备

4.1.5分析测试

4.2.实验结果与讨论

4.2.1成型工艺研究

4.2.2排蜡烧成中制品的变形情况

4.2.3陶瓷蜡层的结合情况

4.3本章小结

5结论和展望

5.1结论

5.2未来工作的展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录