1、1 引言1.1 快速成型技術簡述快速原型制造（rapid prototyping，簡稱rp）技術，又稱快速成型技術，是20世紀80年代后期首先在美國產生并商品化，90年代在全球迅速發展起來的制造新技術。快速成型技術與50年代的數控技術和最近20年發展起來的特種加工技術一樣是一種全新的制造技術，是制造領域的又一重大突破，是先進制造技術群中的重要組成部分。它是一種基于離散堆積成型的數字化制造技術，集激光技術、計算機輔助設計（cad）、計算機輔助制造（cam）、計算機數控技術（cnc）、精密檢測技術、精密機械、精密伺服驅動和新材料技術等先進技術于一體的綜合高新技術。它能根據cad模型（電子模型）自動

2、、直接、快速、精確地將設計思想物轉化為具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復雜的零部件，解決了從設計到制造的快速對接問題，從而可以對產品設計進行快速評價、修改及功能試驗，有效地縮短了產品的研發周期，滿足了當今競爭日益激烈的市場對新產品快速開發和快速制造的要求12。與此同時，經濟全球化趨勢正不斷加強，各個領域的技術交流、經貿交流日益擴大，世界上發生的這些進步、變革與發展使當代制造業的生態環境、產業結構與發展模式等都發生了深刻變化，科學發展觀對制造業提出了新的要求，我國制造業正面臨著新的發展機遇與挑戰。當前，制造業呈現如下發展趨勢3：1）生產、經營及市場全球化；2

3、）顧客需求個性化、多樣化；3）產品生命周期縮短，更新換代加速化；4）產品高科技化；5）市場競爭激烈化。因此，制造企業要想在21世紀求得生存和發展，就必須面對這一新的形勢，不斷研究或融合新的技術，并采取靈活多變的管理策略，適時向市場推出滿足顧客需求的新產品、產品創新技術成為提高企業競爭力的關鍵。1.1.1 快速成型技術的產生背景快速成型技術的誕生主要有兩方面的原因：1）市場拉動市場全球化和用戶需求個性化為先進制造技術提出了新的要求4。隨著市場一體化的發展，市場競爭越來越激烈，產品的開發速度成為競爭的主要矛盾。同時用戶需求多樣化的趨勢日益明顯，因此要求產品制造技術有較強的靈活性，在不增加成本的前提

4、下能夠以小批量生產甚至單件生產產品。2）技術推動新技術的發展為快速成型技術的產生奠定了技術基礎。信息技術、計算機技術的發展、cad/cam技術的發展、材料科學的發展、新材料的出現、激光技術的發展為快速成型技術的產生和發展奠定了技術基礎。快速成型技術就是在這樣的社會背景下，在80年代后期產生于美國，并迅速擴展到歐洲和日本。由于rp技術的成型原理突破了傳統加工中的塑性成形（如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工等）和切削成形的工藝方法，可以在沒有工裝夾具或模具的條件下，迅速制造出任意復雜形狀又具有一定功能的三維實體原型或零件，因此被認為是近二十年來制造技術領域的一次重大突破5。1.1.2 快速成型技術的基本

5、原理與優勢快速成型技術是一種將原型（或零件、部件）的幾何形狀、結構和所選材料的組合信息建立數字化描述模型，之后把這些信息輸出到計算機控制的機電集成制造系統進行材料的“添加”加工6，通過逐點、逐線、逐面進行材料的三維堆砌成型，再經過必要的處理，使其在外觀、強度和性能等方面達到設計要求，實現快速、準確地制造原型或實際零件、部件的現代化方法。快速成型技術的優勢7：1）響應速度快。與傳統的加工技術相比，rp技術實現了cad模型直接驅動，成型時間短。從產品cad或從實體反求而獲得數據到制成原型，一般只需要幾小時至幾十個小時，速度比傳統成型加工方法快得多。這項技術尤其適于新產品的開發，適合小批量、復雜（如

6、凹槽、凸肩和空心、嵌套等）、異形產品的直接生產而不受產品形狀復雜程度的限制。還改善了設計過程中的人機交流，使產品設計和模具生產并行，從而縮短了產品設計、開發的周期，加快了產品更新換代的速度，大大地降低了新產品的開發成本和企業研制新產品的風險。2）加工柔性高。rp技術將復雜的三維加工技術分解成簡單的二維加工的組合，制造工藝大大簡化。因此，從理論上講rp技術可以制造任意復雜形狀的原型產品。從這個角度來講，rp技術屬于自由成型制造。其含義有兩點，一是指可以根據原型或零件的形狀，無需使用工具、模具而自由的成型；二是指不受形狀復雜程度的限制，能夠制造任意復雜形狀與結構、不同材料復合的原型或零件。3）節能

7、、環保、綠色制造。rp技術屬于環保型技術，能源和原材料的利用率高，從理論上講，原料利用率可達100%，而且產生的噪音小，環境污染少。1.1.3 快速成型技術分類rp技術的具體工藝不下30余種。根據其應用情況和商品化程度，最為典型的快速成型技術有以下四種。1）光固化成型（stereo lithography apparatus，sla）光固化成型的原理是：將激光聚焦到液態光固化材料（如光固化樹脂）表面、令其有規律地固化，由點到線到面完成一個層面的建造，而后升降平臺移動一個層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態材料，再建造一個層面，由此層層疊加成為一個三維實體。2）分層實體制造（laminated ob

8、ject manufacturing，lom）該技術采用激光或刀具對箔材進行切割。首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網格狀。通過升降平臺的移動和箔材的送給可以切割出新的層片并將其與先前的層片粘結在一起。這樣層層疊加后得到一個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實體。這里所說的箔材可以是涂覆紙（涂有粘結劑覆層的紙），涂覆陶瓷箔、金屬箔或其它材質基的箔材。3）選區激光燒結（selective laser sintering，sls）此技術采用激光對有很好密實度和平整度的粉末鋪成的層面，有選擇地直接或間接將粉末熔化或粘結，形成一個層面，鋪粉壓實，再

9、熔結或粘結成另一層并與前一層熔接或粘結，如此層層疊加為一個三維實體。所謂直接熔結是將粉末直接熔化面連接；間接熔結是指僅熔化粉末表面的粘結涂層，以達到互相粘結的目的。粘結則是指將粉末采用粘結劑粘結。這里的粉末材料主要有蠟、聚碳酸脂、水洗砂等非金屬粉，以及金屬粉如鐵、鈷、鉻以及它們的合金。4）熔融沉積制造（fused deposition modeling，fdm）fdm是指將熱熔性材料（abs、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，擠壓噴出并堆積一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與第一個層面粘結在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。1.1.4 快速成型技術的應用概況根據不同的應用場合和需求

10、，快速成型技術主要有4種層次的應用：1）用于概念設計的原型。這種原型對精度和物理化學特性要求不高，主要要求成型速度快、精度適中、設備小巧、運行可靠、清潔、無噪音、操作方便。2）用于功能測試的原型。此原型對強度、剛度、耐溫性、抗腐蝕性有一定的要求，以滿足測試要求；如果用于裝配測試，則對材料成型的精度還有一定要求。3）用于制造模具或其原型。模具原型要求材料適應特定模具的制造要求，如對于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除。4）用于制造功能零件8-16。功能零件則要求材料具有較好的力學性能和化學性能。從rp技術的發展歷程來看，最初主要應用于原型制造，隨著研究的深入，現在很多研究者都致力于研究快速制造金

11、屬零件。國際統計資料表明，原型中的四分之一被用來作為可視化的手段，用于評估設計、協助設計模具、溝通設計者與制造商及工程投標；四分之一被用來進行裝配和性能測試；四分之一以上用于協助完成模具制造。目前，快速成型技術在模具、家用電器、汽車、航空航天、軍工制造、材料工程、玩具、輕工產品、工業造型、建筑模型、醫療器械、人體器官模型、生物材料組織、考古、電影制作等領域都得到了廣泛的應用。快速成型技術是目前先進制造技術中發展最為迅速的一種，在短短一、二十年的時間里，已經由最初的原理研究發展到大規模實際生產應用。目前已有10多種比較成熟的工藝方法用于原型零件的制造。rp技術在產品開發中的關鍵作用和重要意義在實

12、際應用中得到了很好的印證，不受形狀或結構復雜程度的限制，可以迅速地將示于計算機屏幕上的設計變為可進一步評估的實物。根據原型，可對設計的正確性、造型合理性、可裝配性和干涉，進行具體的檢驗17。1.2 選擇性激光燒結快速成型技術1.2.1 選擇性激光燒結技術特征選區激光燒結技術造型速度快，一般制品僅需12天即可完成。與其它rp技術相比，sls最顯著的特征是18：1）材料適用范圍廣。從原理上說，這種方法可采用任何能與激光相互作用的粉末材料，通過材料或各類含粘結劑的涂層顆粒制造出任何造型，適應不同的需要。2）加工柔性高，有自然支撐。選區激光燒結技術可以直接制造任意復雜形狀的原型、型模三維構件或部件及工

13、具，能廣泛適應設計和變化等。3）運行成本較低，材料重復利用率高，未燒結粉末可重復使用。1.2.2 選擇性激光燒結工藝過程sls工藝的基本思想是基于離散堆積成型的制造方式，實現從三維cad模型到實體零件的轉變。如圖1.2所示，利用sls工藝制造實體零件的基本過程包括cad模型的建立及分層處理、燒結過程以及后處理等部分19。圖1.1sls工藝制造實體零件的基本過程1）cad模型的建立及分層處理這一階段的作用是在計算機上實現零件模型的三維造型和數據處理過程。對于一個給定的零件，首先要建立被加工零件的三維實體模型；經過cad軟件的stl文件格式的輸出，然后利用分層軟件對零件的cad模型進行分層切片，把

14、三維實體分解成一系列二維平面的薄片，每一薄片稱為一個切片，每個切片具有一定的厚度，并包含二維輪廓信息；再用掃描軌跡生成軟件將切片的輪廓信息轉化成激光的掃描軌跡信息。2）燒結過程這一階段是實現零件的層面制造、堆積成型的過程。每一層燒結開始前，工作缸先下降一個層厚的高度，而供料缸則上升一個層厚的高度。粉末材料由供料缸頂起，輥筒水平鋪粉，由于輥筒與粉末之間的摩擦力以及粉末與粉末之間的作用，粉末被推送到成型缸。輥筒水平運動的同時，還伴有滾輪的一個逆向轉動，在成型缸內將粉末材料壓實、鋪平。預熱之后，在控制系統的控制下，激光束以一定的掃描速度和功率在鋪好的粉層上掃描，被激光掃描過的區域內，粉末燒結成具有一

15、定厚度的實體結構，未掃過的地方仍然是松散的粉末，這樣得到零件的第一層。當一層截面燒結完成后，供粉活塞上移一定距離，成型活塞下移一定距離，并鋪上一層新的粉末材料，繼續下一層的激光掃描燒結，而且新的燒結層與前面已成型的部分連接在一起。如此逐層地添加粉末材料有選擇地燒結堆積，最終生成三維實體模型或零件。3）后處理全部燒結完成后，都要做一些后處理工作，如去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干、加熱等處理以便獲得原型或零件。采用塑料材料制成的原型零件一般用來作為功能性零件或樣品試件，其機械性能如強度等要求不是很高，因此只需要對其外觀進行一些簡單的處理，如打磨、有機物微溶、去除零件表面明顯的層面痕跡等。1.3

16、覆膜砂的sls技術研究現狀在造型、制芯前砂粒表面上已覆有一層固態樹脂膜的型砂，芯砂稱為覆膜砂。也稱殼型（芯）砂。它最早是一種熱固性樹脂砂，由德國克羅寧（croning）博士于1944年發明。其工藝過程是將粉狀的熱固性酚醛樹脂與原砂機械混合，加熱時固化。現已發展成用熱塑性酚醛樹脂加潛伏性固化劑（如烏洛托品）與潤滑劑（如硬脂酸鈣）通過一定的覆膜工藝配制成覆膜砂，覆膜砂受熱時包覆在砂粒表面的樹脂熔融，在烏洛托品分解出的亞甲基的作用下，熔融的樹脂由線性結構迅速轉變成不熔體的體型結構，從而使覆膜砂固化成型。覆膜砂一般為干態顆粒狀，近年來我國已有廠家開發出濕態和粘稠狀覆膜砂。覆膜砂具有良好的流動性和存放性

17、，用它制作的砂芯強度高、尺寸精度高，便于長期存放，在國際上，尤其在日本、韓國、東歐等國家及我國臺灣地區鑄造工業中的應用得到了快速發展。用覆膜砂既可制作鑄型，又可制作砂芯（實體芯和殼芯），覆膜砂的型或芯既可以互相配合使用，又可以與其它砂型（芯）配合使用；覆膜砂不僅可以用于金屬型重力鑄造或低壓鑄造也可以用于鐵模覆砂鑄造，還可用于熱法離心鑄造；不僅可以用于生產黑色金屬鑄件，還可以用于有色金屬鑄件等等。現在，覆膜砂已廣泛應用于汽車、拖拉機、柴油機、機床、離心鑄造、液壓件及泵類等行業，可滿足各種材料、各種生產條件的復雜精密鑄件的生產要求。利用激光快速成型（選擇性激光燒結）技術可以制造各種零件和模型，如果

18、選擇合適的燒結材料，也可以直接制造鑄型，即在此鑄型中同時形成鑄件的內外輪廓結構的型腔，而不需要型芯，也不需要砂箱，澆注金屬冷卻落砂后就可得到完整的鑄件。這種方法對單件小批復雜鑄件的制造極為有利，簡化了鑄造工藝過程，節約了時間，且有利于鑄件質量的提高。采用覆膜砂作為燒結材料，選擇性激光燒結（sls）快速成型技術直接形成鑄造用型（芯），開創了不用模型、不用芯盒直接制造砂型（芯）的先河，使用此方法可在數小時至數十小時內將cad數據模型轉化成可澆注各類金屬鑄件的型（芯），給鑄造業帶來了現代化的新氣息20。用sls法生產覆膜砂鑄造型（芯）與傳統的造型制芯工藝比較，有以下優點：1）生產過程大為簡化。從零件

19、圖紙到工藝設計、鑄型（芯）的二維實體造型等都山計算機完成。2）可生產任何復雜程度的鑄件。3）型、芯可整體制作，也可以型、芯分別制作。型、芯整體制作時不存在型、芯的裝配定位問題；分別制作時，型、芯的定位裝配精度也很高。4）不需要拔模斜度，鑄件的壁厚小。5）省去了許多工裝設備，使得復雜鑄件的生產過程可以在sls成型機上完成。但用sls法也有它的局限性。首先，目前sls成型機的價格昂貴,只適合做單件小批樣品、試制品等；其次，由于分層疊加成型，sls鑄型在曲面或斜面上呈明顯的“階梯形”。用sls法快速生產鑄件的工藝過程可分為三步：1）sls鑄型（芯）的工藝設計及計算機三維造型；2）sls鑄型（芯）的成

20、型；3）sls鑄型（芯）的后續處理及澆注。1.4 課題研究的主要內容從快速成型技術的發展現狀，特別是sls成型技術的發展現狀的分析發現，盡管sls技術發展到今天已經達到相當高的水平，但是仍然存在很多需要繼續研究的問題。燒結原型件的強度質量是選擇性激光燒結試驗最基本的要求，如果制件強度不高將嚴重影響燒結質量和燒結進程；大量試驗結果表明，用sls法燒結的覆膜砂試件的燒結強度較低，不能直接用于澆注金屬鑄件，必須對燒結后的制件進行后處理。除抗拉強度外，還應包括發氣性、潰散性等。這些性能的好壞，將影響到金屬液體在充型過程中沖砂、砂眼、粘砂、氣孔等鑄件缺陷的產生，以及型腔中的殘留型砂清理較為困難等方面的問

21、題。本文以鑄造覆膜砂為選擇性激光燒結實驗材料，研究了處理溫度和后處理時間對其力學性能、發氣性能和潰散性能的影響。并結合鑄造實驗分析影響覆膜砂燒結成型件精度的因素及其它性能的考核。本文具體研究的內容及試驗方法如下：1）后處理溫度對覆膜砂試件抗拉強度的影響試驗試驗方法：將zk82 a型真空干燥箱預熱到200，然后分別對覆膜砂“8”字試件進行加熱、保溫。待其冷卻至室溫后，將其放到杠桿式強度試驗機上測量“8”字試件的抗拉強度，并記錄數值。依次改變加熱溫度為200，210，220，230，240，250；然后在保溫時間為20min的情況下分別記錄下其強度值，最后求其平均值，并用后處理溫度常溫抗拉強度的曲

22、線表示出來。2）后處理時間對覆膜砂試件抗拉強度的影響試驗試驗方法：將zk82a型真空干燥箱預熱到230，然后分別對覆膜砂“8”字試件進行加熱、保溫。待其冷卻至室溫后將其放到杠桿式強度試驗機上測量“8”字試件的抗拉強度，并記錄數值。依次改變加熱時間為10min，15min，20min，25min，30min重復上述操作，分別記錄下其強度值，最后求其平均值，并用后處理時間常溫抗拉強度的曲線表示出來。為了進一步了解覆膜砂成型件后處理過后的內部結構性能，還可以對其燒結成型件進行掃描電鏡分析，從而還可以為后處理參數的合理確定提供有利依據。3）后處理溫度對覆膜砂試件發氣性能的影響試驗試驗方法：將步驟1中保

23、溫20min試驗后得到的“8”字試樣斷塊按工藝條件進行編號，然后沿斷面處將其摩擦成細小顆粒狀進行取樣，稱取10.01g試樣放入小瓷舟中，并將小瓷舟迅速送入預先預熱到850的sfd型發氣性測定儀，經過3min可以從記錄紙上自接讀出發氣量的大小，重復以上操作，根據編號我們就可以分別得出固化溫度為200，210，220，230，240，250下相應“8”字試樣的發氣量。4）后處理時間對覆膜砂試件發氣性能的影響試驗 試驗方法：將步驟2中加熱溫度t=230試驗后得到的“8”字試樣斷塊按工藝條件進行編號，然后沿斷面處將其摩擦成細小顆粒狀進行取樣，稱取10.01g試樣放入小瓷舟中，并將小瓷舟迅速送入預先預熱

24、到850的sfd型發氣性測定儀，經過3min 可以從記錄紙上自接讀出發氣量的大小，重復以上操作，根據編號我們就可以分別得出固化時間為10min，15min，20min，25min，30min條件下相應“8”字試樣的發氣量。5）覆膜砂的潰散性能試驗試驗方法：根據上述優選的工藝參數，在最佳加工工藝條件下，對覆膜砂進行選擇性激光燒結及后處理制取“8”字件，將其分組放入預先分別預熱500，600，700的tdw型箱式電阻爐中恒溫加熱5min，取出并冷卻至室溫，接著將其放在30目的篩子上進行震動，最后用mp5002電子天平（感量為0.01）稱取托盤上砂的重量并代入潰散率的計算公式進行計算，潰散率的計算公

25、式如下：2 原型件的后處理研究2.1 原型件后處理加熱原理及基礎2.1.1 后處理簡介覆膜砂在激光束掃描照射下燒結硬化的強度值較低。原因有以下幾點：1）光束照射加熱的時間很短（可以認為是瞬間加熱）；2）覆膜砂的熱傳導系數較小；3）光束照射加熱的最高溫度不允許太高（當最高溫度大于300時，樹脂膜受熱而碳化），即只能在較低的溫度下加熱。因此，由選擇性激光燒結而成的制件很難達到鑄造等相關再加工工序的強度要求，而必須采用加熱保溫的后處理方法，使制件強度得到大幅提高21。直接激光燒結得到的“8”字試件與經后處理得到的“8”字試件顏色比較如圖2.1；不同后處理工藝條件下得到的試件如圖2.2。圖2.1燒結原

26、型件與后處理件對比 圖2.2不同后處理工藝下試件對比加熱保溫原理在于經激光燒結后的覆膜砂沒有完全硬化，而當這些砂樣被更高的溫度再加熱時，未硬化的覆膜砂受熱再固化使砂樣的強度值進一步提高。而且，原燒結過程中加熱的溫度越低，未硬化的覆膜砂量越多，再加熱后砂樣的強度值提高越大。2.2 后處理試驗影響覆膜砂常溫抗拉強度的工藝因素有兩個：后處理溫度和后處理時間。后處理實驗中，我們采用固定一個因素，改變另一個因素的方法來分別考察溫度和時間對常溫抗拉強度的影響規律22。實驗中，我們分別將在最佳激光燒結工藝條件下制備的“8”字試樣放在zk82a型真空干燥箱中，進行抗拉強度的測試。每個工藝條件下測4個強度值，然

27、后求其平均值。其中，固化溫度分別選擇為：200，210，220，230，240，250；固化時間分別選擇為l0min，15min，20min，25min，30min；最后將這些數據分別用后處理溫度常溫抗拉強度、后處理時間常溫抗拉強度的曲線表示出來，分別研究后處理溫度和后處理時間對常溫抗拉強度的影響規律。2.2.1 試驗設備本試驗使用的是：zk82a型真空干燥箱，其主要性能參數如表2. 1所示：表2. 1 zk-82a型真空干燥箱性能參數最高上作溫度工作電壓加熱功率工作室尺寸制造商真空度300220v2kw350mm400mm上海實驗儀器總廠6022.2.2 加熱保溫試驗過程覆膜砂的工藝性能中抗

28、拉強度性能的好壞，將影響到金屬液在充型過程中沖砂、砂眼、粘砂、氣孔等鑄件缺陷的產生，以及型腔中的殘留型砂清理較為困難等方面的問題。本試驗從后處理加熱保溫時間和溫度來研究其對于強度影響規律，并利用試驗的方式對強度性能進行檢測。2.2.2.1 后處理溫度對覆膜砂試件抗拉強度的影響覆膜砂試件的抗拉強度是其性能的一個重要衡量標準，為了適應砂型和砂芯在生產過程中翻箱、搬運的要求及澆注時不會因鐵水的沖刷、靜壓力作用使鑄件產生沖砂、砂眼、粘砂、脹箱等缺陷，所以要求覆膜砂經加熱緊實后制得的制件要有足夠的強度。而固化溫度對抗拉強度的大小有很大的影響，一般說來，加熱溫度高，加熱時間可以縮短，有利于提高生產效率，但

29、溫度過高則制件表面易燒焦，而內部和局部厚大的部位卻沒有熟透，造成制件強度低、發氣量大；而加熱溫度過低時，則加熱時間較長，生產效率低下，而且同樣會造成內部和局部厚大部位的樹脂不能完全固化，導致制件強度低、發氣量大23。所以，研究后處理溫度對覆膜砂制件抗拉強度的影響具有十分重要的意義。1）試驗方法將zk82a型真空干燥箱預熱到200，然后分別對覆膜砂“8”字試件進行加熱、保溫。待其冷卻至室溫后，將其放到杠桿式強度試驗機上測量“8”字試件的抗拉強度，并記錄數值。依次改變加熱溫度為200，210，220，230，240， 250；然后改變保溫時間：l0min，20min，30min；重復上述操作，分別

30、記錄下其強度值，最后求其平均值，并用后處理溫度常溫抗拉強度的曲線表示出來。2）試驗結果與分析在三種不同保溫時間條件下，改變后處理溫度測得的覆膜砂的常溫抗拉強度值及強度隨溫度的變化規律分別如下表2. 2， 2. 3，2. 4和圖2.3所示：表2. 2保溫10分鐘不同后處理溫度下覆膜砂試件的抗拉強度（mpa）試驗組數 抗拉強度（mpa）1 2 3 4average2001.2201.2411.3051.2561.2562101.4561.4111.4091.4421.4302201.7011.6691.6691.6721.6782301.7201.7151.6891.7011.7062401.50

31、91.5141.4891.4921.5012501.4261.4101.4311.4151.421表2. 3保溫20分鐘不同后處理溫度下覆膜砂試件的抗拉強度（mpa）試驗組數抗拉強度（mpa）200210220230240250 1 2 3 4average1.6801.6691.6791.6741.6761.8311.8361.8251.8301.8312.0152.0162.0121.9892.0082.2362.2622.2592.2682.2562.1132.0992.1102.1012.1061.7641.7691.7521.7561.760 表2. 4保溫30分鐘不同后處理溫度下覆

32、膜砂試件的抗拉強度（mpa）試驗組數抗拉強度（mpa） 1 2 3 4average2001.5101.4981.4891.4921.4982101.6781.6691.6821.6701.6752201.8421.8361.8351.8401.8382301.8901.9051.8891.8681.8882401.7101.7011.7051.6991.7042501.6411.6361.6291.6281.634 從圖2. 3中可以看出，不同后處理時間條件下覆膜砂的抗拉強度都是隨溫度的升高而增大，直至達到最大值，然后隨著固化溫度的進一步提高，固化強度開始下降；而且其曲線變化的幅度及發生的溫

33、度區間也基本相同：覆膜砂在a條件下（保溫10分鐘）抗拉強度變化的幅度相對較小，在220230的區間范圍內，抗拉強度達到最大（230處），已測得最大值為1.706mpa，最小值為1.220mpa（200處）；覆膜砂在b條件下（保溫20分鐘）抗拉強度變化的幅度相對較大，在220230區間范圍內，抗拉強度達到最大（230處），已測得最大值為2.268mpa，最小值為1.669mpa（200處）；覆膜砂在c條件下（保溫30分鐘）抗拉強度變化的幅度僅次于b，在220230的區間范圍內抗拉強度達到最大（230處），已測得最大值為1.890mpa，最小值為1.489mpa（200處）。三種保溫時間條件下覆膜

34、砂對固化溫度的敏感程度依次為：b最大、a次之、c最小。 圖2. 3后處理溫度對覆膜砂試件抗拉強度的影響后處理溫度對覆膜砂試件抗拉強度性能影響規律的原因分析：在覆膜砂被放入zk82a型真空干燥箱以后，樹脂由玻璃態轉變為粘流態而表現出一定的流動性和可塑性，砂粒之間形成粘結頸。溫度升至180左右，六亞甲基四胺（烏洛托品）與樹脂中的殘留水分反應生成甲醛和氨氣，生成的甲醛能和線性酚醛樹脂進一步反應，首先在酚醛樹脂分子鏈上若干苯酚羥基的對位處生成羥甲基，而后，此酚羥甲基再與其它酚醛樹脂苯酚核的對位或鄰位的活性氫原子縮合，生成亞甲基ch2，使樹脂由熱塑性變成熱固性，從而具有一定的強度。同時，生成的nh3提供

35、的堿性環境也有利用這一反應向正方向進行。根據熱芯盒內覆膜砂的溫度場分布理論，“8”字試樣由外到內可以依次分為固化狀態區、軟化狀態區和松散狀態區三個區，其中固化狀態區和軟化狀態區以固化劑的分解溫度為分界線，軟化狀態區和松散狀態區的分界線為樹脂的軟化點溫度，所以適當提高保溫溫度，在固化時間相同的情況下，可以提高固化狀態區的厚度，從而達到提高其強度的目的。所以在三種不同保溫時間條件下的覆膜砂開始都會隨著固化溫度的提高其強度也隨之提高。當固化溫度過高時，加速了反應生成的甲醛的揮發，從而使得“8”字試樣局部固化程度降低，這樣局部砂粒之間只能靠線形酚醛樹脂間形成的粘結頸粘結在一起，強度和體型結構相比大大降

36、低。同時溫度過高也會導致表面砂粒之間的粘結頸變細部分可能因為溫度過高而發生過燒，從而不使分子鏈斷裂，導致抗拉強度的進一步降低。所以在固化溫度升高到一定程度時，如果繼續升高溫度，覆膜砂的抗拉強度值都會降低24。3）小結通過以上分析研究，我們得出了后處理溫度對在三種不同保溫溫度條件下覆膜砂試件抗拉強度的影響規律，從而可以把溫度230作為實際制型（芯）時的工藝指導參數。同時，鑒于保溫20min條件下對后處理溫度較為敏感，在生產中應對固化溫度加以嚴格控制。2.2.2.2 后處理時間對覆膜砂試件抗拉強度的影響后處理溫度對覆膜砂試件抗拉強度的影響規律已經找到，以下試驗主要是在給定的溫度下，來研究后處理時間

37、對覆膜砂試件抗拉強度的影響規律，因為溫度和時間對抗拉強度的影響是相互關聯的，所以對后處理時間的研究也具有十分重要的意義。1）試驗方法將zk82a型真空干燥箱預熱到230，然后分別對覆膜砂“8”字試件進行加熱、保溫；待其冷卻至室溫后，將其放到杠桿式強度試驗機上測量“8”字試件的抗拉強度，并記錄數值。依次改變加熱時間為l0min，15min，20min，25min，30min；重復上述操作，分別記錄下其強度值，最后求其平均值，并用后處理時間常溫抗拉強度的曲線表示出來。2）試驗結果與分析在t=230的條件下，通過改變后處理時間得到的覆膜砂的常溫抗拉強度值及強度隨時間的變化規律分別如下表2. 5和圖2

38、. 4所示：從圖2. 4中我們可以看出，后處理時間對常溫抗拉強度的影響與后處理溫度的影響很相似，覆膜砂隨著時間的延長其常溫抗拉強度都是先升后降，但是曲線的變化幅度及區間不相同：覆膜砂隨時間的延長，其曲線的變化幅度相對而言最大，在有的時間范圍內其常溫抗拉強度達到最大，為2.368mpa（25min處），最低抗拉強度為1.698mpa（l0min處）。表2. 5不同后處理時間下覆膜砂試件的抗拉強度（mpa）試驗組數抗拉強度（mpa） 1 2 3 4average10min1.7151.7051.6981.7051.70615min1.7501.8011.7981.7781.78220min2.25

39、92.2702.2692.2672.26625min2.3292.3002.3682.3322.33230min1.8981.9011.8981.9101.902圖2. 4后處理時間對覆膜砂件抗拉強度的影響后處理時間對覆膜砂常溫抗拉強度影響規律的原因分析： 按照芯盒中覆膜砂溫度場分布理論，在溫度不變情況下，隨時間的延長，那么覆膜砂溫度傳遞就比較深，這樣就會使更多的覆膜砂得到再固化，從而使得固化狀態區的厚度變厚。所以在開始階段，覆膜砂試件的強度都隨著時間的延長而增加，同時會在某個后處理時間下使砂粒表面之間的粘結頸交疊，達到截面積最大，此時強度也達到最高值。“8”字試樣在230的溫度下，過分的延長

40、后處理時間會使其表面已形成好的粘結橋變細，砂粒表面的有機物也會發生炭化，從而導致表層分子鏈的斷裂，致使試樣強度降低，這也是覆膜砂制件隨時間的進一步延長其強度降低的原因。3）顯微組織分析為了進一步了解覆膜砂成型件后處理過后的內部結構性能，所以對其燒結成型件進行掃描電鏡分析可以為后處理參數的合理確定提供有利依據。圖2.5是試件在最佳后處理工藝參數條件下的制件斷口形貌，由圖2.5（a）可知，砂粒接合均勻，形成了很多聯結橋。由圖2.5（b）可知，試件在拉伸斷裂過程中是沿聯結橋內部斷裂的，此種斷裂方式能很好提高制件的力學性能。 （a）放大100倍; （b）放大300倍圖2.5最佳后處理工藝條件下制件斷口

41、微觀形貌圖2.6是制件經后處理炭化后的微觀形貌，由圖2.6可知，由于保溫溫度過高，時間過長，砂粒表面有機物幾乎全部炭化，同時加大了燒結試樣收縮量，降低拉伸強度。通過對覆膜砂選擇性激光燒結后處理工藝試驗的研究，完成了如圖2.7所示的鑄造用覆膜砂型芯和試驗件。4）小結通過以上分析研究，我們得出了后處理時間對覆膜砂抗拉強度的影響規律，從而可以把保溫時間min作為實際制（型）芯時的工藝指導參數。（a）放大100倍; （b）放大300倍圖2.6經后處理炭化后制件斷口微觀形貌圖圖2.7經后處理的鑄造用選擇性激光燒結覆膜砂件2.3 后處理溫度對覆膜砂試件發氣性能的影響發氣性能也是覆膜砂性能的一個重要性能指標

42、。發氣性是指造型材料受熱時析出氣體的能力。一般用發氣量和發氣速度度量，發氣量通常指單位質量（1g）造型材料受熱后析出氣體的體積 （cm3/ml）；發氣速度則指發氣量隨時間變化的規律。由于發氣性對鑄件質量有著重要影響 ，發氣性的測定日趨受到人們的重視。覆膜砂的發氣量大往往會影響到金屬液的充型，同時也是鑄件氣孔缺陷產生的主要原因。本試驗是在考察后處理溫度對強度影響的基礎之上，進一步考察其對覆膜砂發氣性能的影響規律，從而使上述的后處理溫度參數更好地滿足高強度、低發氣量的制（型）芯要求。影響覆膜砂燒結試件發氣性的因素有：原材料的性質（如樹脂的摻量）；燒結工藝參數（如激光功率、掃描速度等）；測定發氣性時

43、的環境（溫度、氣氛、壓力等）。1）試驗方法將2.2.2.1節保溫20min試驗后得到的“8”字試樣斷塊按工藝條件進行編號，然后沿斷面處將其摩擦成細小顆粒狀進行取樣，稱取10.0lg試樣放入小瓷舟中，并將小瓷舟迅速送入預先預熱到850的sfd型發氣性測定儀，經過3min可以從記錄紙上直接讀出發氣量的大小，重復以上操作，根據編號我們就可以分別得出固化溫度200，210，220，230，240，250下相應“8”字試樣的發氣量。2）試驗結果與分析在t=180s的條件下，改變后處理溫度得到的覆膜砂試件的發氣量值及發氣量隨后處理溫度的變化規律分別如下表2. 6和圖2. 8所示。表2.6不同后處理溫度下保

44、溫20min覆膜砂試件的發氣量（ml/g）試驗組數發氣量（ml/g）200210220230240250 1 2 3 4average11.911.811.811.911.8511.611.511.711.811.6511.811.611.511.611.6311.811.711.711.511.6811.7 11.611.711.611.6511.511.611.811.611.63圖2.8后處理溫度對覆膜砂發氣性能的影響從圖2.8中還可以看出，覆膜砂試件發氣量大小隨著后處理溫度的提高其發氣量不斷降低，最高值為11.8m1（200處），最低值為11.6m1（250處）。覆膜砂發氣量的變化規律

45、主要是由于：在時間一定的情況下，隨著溫度的升高，芯盒向覆膜砂中傳遞的熱量也隨之增大，從而使更多的樹脂發生了再固化反應，固化劑反應釋放出的nh3量也不斷增多，但是在相同時間內，溫度的升高卻加速了反應生成的甲醛氣體的揮發，“8”字試樣中所含有機物量隨之降低，所以在發氣性試驗中，試樣的發氣量在不斷的下降；發氣量降低幅度與覆膜砂對溫度的敏感程度有關，即覆膜砂對溫度越敏感則其發氣量的降低幅度也就越大，尤其是在最佳強度所對應的溫度附近，變化幅度最大。反之，變化幅度較小。3）小結把2.2.2.1中固化溫度參數與本試驗結論結合，我們可以得出：滿足覆膜砂試件的強度最佳對應的溫度區間為220230，而在發氣性上，

46、230比220明顯降低，而且即使將溫度再提高至240250，發氣性的變化很小，但強度則明顯下降，所以后處理溫度對抗拉強度的影響更明顯，而對發氣性的影響要小得多。因此，實際生產中應根據強度的要求來確定后處理溫度。2.4 后處理時間對覆膜砂試件發氣性能的影響本試驗是在考察后處理時間對強度影響的基礎之上，進一步考察時間對覆膜砂發氣性能的影響規律，從而使上述的后處理時間參數更好地滿足高強度、低發氣量的制（型）芯要求。1）試驗方法將2.2.2.2中加熱溫度t=230試驗后得到的“8”字試樣斷塊按工藝條件進行編號，然后沿斷面處將其摩擦成細小顆粒狀進行取樣，稱取10.0lg試樣放入小瓷舟中，并將小瓷舟迅速送

47、入預先預熱到850的sfd型發氣性測定儀，經過3min可以從記錄紙上直接讀出發氣量的大小25，重復以上操作，根據編號我們就可以分別得出固化時間l0min，15min，20min，25min，30min條件下相應“8”字試樣的發氣量。2）試驗結果與分析在t=180s的條件下，改變后處理時間得到的覆膜砂試件的發氣量值及發氣量隨后處理溫度的變化規律分別如下表2.7和圖2.9所示。從圖2.9中可以看出，隨著后處理時問的延長，覆膜砂試件的發氣量隨之降低，其中：最高發氣量為12.0m1，最低發氣量為11.4m1，減少量為0.6m1，覆膜砂試件發氣量變化規律的原因主要是：在溫度一定的情況下，隨著后處理時間的

48、延長，芯盒溫度向覆膜砂中傳遞的熱量也不斷增加，參與固化反應的樹脂量亦不斷增多，固化劑反應產生的nh3量也相應增多，所以“8”試樣中殘留有機物的量相對減少，發氣量也隨之降低；發氣量降低幅度的不同，主要是因為在相同溫度下，覆膜砂對加熱時間的敏感程度不同，對時間越敏感，則其降低幅度越大，尤其在最佳強度對應的后處理時間附近，發氣量降低比較明顯。反之，則變化幅度較小。表2.7不同后處理時間下覆膜砂件的發氣量（ml/g）試驗組數發氣量（ml/g） 1 2 3 4average10min12.011.811.911.811.8815min11.911.811.811.911.8520min11.511.71

49、1.611.811.6525min11.611.511.711.811.6530min11.611.411.511.411.48圖2.9后處理時間對覆膜砂發氣性能的影響3）小結把2.2.2.2中固化時間參數與本試驗結合，按照2.3中的比較方法，我們得出覆膜砂試件在不同固化時間下抗拉強度要比發氣性對時間更敏感，因此后處理時間的確定也主要取決于抗拉強度要求。同時，覆膜砂在最佳強度下的后處理時間為：25min；所對應的發氣量已接近最低或比較接近最近值。綜合2.3和2. 4所選參數，選擇性激光燒結覆膜砂試件的后處理最佳工藝條件為：230c，25min。在此工藝下能同時滿足高強度、相對較低的發氣量的制型

50、（芯）要求。2.5 覆膜砂的潰散性能潰散性能是指鑄件冷凝后砂芯是否容易破壞，是否容易從鑄件上清除的性能。潰散性能的好壞可以用潰散率來衡量，它是由砂芯燒結后的殘留強度來決定的。潰散率大，說明砂芯燒結后的殘留強度小，后續清理工作比較容易；反之，情況則恰恰相反。鑄件生產中，套芯中的粘砂現象主要是由于砂芯的潰散率較低造成的。所以對選擇性激光燒結覆膜砂制件在優選工藝條件下的潰散性能分析研究具有十分重要的意義。1）試驗方法根據上述優選的工藝參數，在最佳加工工藝條件下，對覆膜砂進行選擇性激光燒結及后處理制取“8”字件，將其分組放入預先分別預熱到500，600，700的tdw型箱式電阻爐中恒溫加熱5min，取

51、出并冷卻至室溫，接著將其放在30目的篩子上進行震動，最后用mp5002電子天平（感量0.0l）稱取托盤上砂的重量并代入潰散率的計算公式進行計算。26潰散率的計算公式如下：表2.8不同溫度下覆膜砂制件的潰散率試驗組數不同溫度下的潰散性（）500600700 1 2 3average9.510.19.89.865.664.965.765.41001001001002）試驗結果與分析優選工藝條件下測得的不同溫度下覆膜砂制件潰散率的值見表2.8。從表中可以計算出，覆膜砂在優選工藝條件下，在500時潰散率的平均值為9.8%；在600時潰散率的平均值為65.4%；而在700時均為100%。潰散率的大小與樹

52、脂在某個溫度下的殘留強度有關，殘留強度大則潰散率較小，反之則相反。3）小結通過優選工藝條件下對潰散率大小的測定，我們得出：在600700的溫度區間內，砂芯的潰散性能較佳。并在230，25min的后處理固化工藝條件下制（型）芯，可以同時滿足高強度、低發氣量、高潰散性的鑄造用砂芯要求。2.6 本章小結用sls法燒結的覆膜砂試件的燒結強度較低，不能直接用于澆注金屬鑄件，必須對燒結后的制件進行后處理，使制件在抗拉強度、發氣性、潰散性等鑄造性能方面得到提高，適應鑄造生產。本章通過對制件的后處理試驗，找到了原型燒結件后處理最佳加熱溫度和保溫時間為：230和25min。并驗證了此參數對原型件發氣性能、潰散性

53、能的影響和可行性。3 試件精度的研究3.1 影響制件精度的主要因素在快速成型中，成型精度是衡量成型質量最主要的指標。制件的精度與設備誤差、零件的造型、成型工藝參數、燒結層厚等因素有很大的關系27。影響制件精度的主要因素如圖3.1 所示。材料因素的影響成型后環境變化引起的誤差制件精度預熱溫度的影響激光功率和掃描速度的影響切片誤差cad模型誤差燒結層厚的影響掃描路徑的影響成型工藝參數的影響設備誤差零件的造型引起的誤差圖3.1 制件精度影響因素示意圖3.1.1 設備誤差設備誤差主要是由于制造設備的運動部件的誤差和設備工作部分的變形等原因引起的誤差。對于平面精度而言，機器誤差主要是激光掃描的誤差，它取

54、決于系統的定位精度。對于z向精度而言，z向累積誤差與傳動精度和燒結的層數有關。機器誤差主要是活塞傳動系統的誤差，現在假設傳動系統每次運動的系統誤差為e10.001mm，成型件高度h=100mm，成型件層厚h=0.1um那么成型層數n=1000，這樣z向的累積誤差可以達到1mm。設備誤差只有通過更進一步提高機器的運動精度來減小。3.1.2 零件造型對制件精度的影響1）cad模型誤差模型誤差主要是指cad模型對實際模型的逼近誤差，stl 格式是一種cad 模型，它是用平面三角形面片構成一個物體的。對于用三角形面片去逼近空間曲面總是存在一定的誤差，但可以通過增加三角形面片的數量來減少這個誤差。在一般

55、的cad軟件中，都是按誤差轉換模型的，所以可以根據需要控制stl模型誤差的大小。模型的誤差大小如果用一次曲面和更高次曲面模型去表示實體，精度肯定能得到提高，但是，通過這種方法的精度提高量是否有意義，要看stl模型和一次模型表達實體所產生的誤差到底有多大的差別。提高模型精度的主要方法是：一方面用更高次的曲面逼近實體的曲面；另一方面可以用更密的三角形面片去逼近實體模型。2）切片誤差（）切片本身本來不會帶來誤差，只是因為快速成型技術中的層制造的特點，才會由切片方法的差別而引起制造模型的誤差。切片過程是從高度方向（z方向）上按照一定的厚度逐層切片、生成一系列離散的二維片層信息的過程。沿模型高度方向切片時，切片厚度過大則會忽略局部細微特征，反之將延長加工時間，使生產效率降低。實際加工零件時，切片厚度通常在0.1mm0.3mm范圍內取值。切片的誤差也可能造成成型件的尺寸和形狀誤差。xy平面的尺寸誤差主要是由斜面和曲面引起的，如圖3.2所示。假設模型的底面為0面，頂面為1面，h為切片厚度，為斜面與水平面的交角。當以0面為初始切片