快速原型技术在复合材料成型方面的应用

摘 要：快速原型技术(RP技术)是综合了机械手、材料科学、计算机技术的一种新型的材料成型工艺.它的基本理论是：由于每个复杂形状的物体都是由几个相互平行的面结构组成的,所以,利用CAD/CAM技术可以把物体进行分层的设计,再控制操作系统把相对应的材料根据层结构组合起来,最终得到实物.快速原型(RP)技术在制作高分子基、复合陶瓷、金属基等复合材料方面有很广阔的前景.

关 键 词：快速原型技术；复合材料；成形；应用

中图分类号TU5文献标识码A文章编号1674-6708（2012）66-0146-02

随着复合材料制造市场发展的多元化,快速原型技术的产生对复合材料产品的竞争、加速新型产品的开发、制造技术的提高都有很大的推动作用.它综合了数控、检测、激光、机械、计算机、CAD等许多学科的先进技术,很快在复合材料成形方面得到了广泛的应用.现如今,RP技术已经是制造业新产品开发的一项关键技术.

1快速原型技术的概述

RP技术是基于物体分层原理来进行产品原型的制作的一种方法,RP技术的基本原理是：根据CAD/CAM技术构造出的理想物体的三维模型,将其进行分层处理,然后分析各层截片的轮廓数据,利用CAD/CAM设计软件将数据原型系统的激光装置,有选择的利用激光对物体进行切割箔材、烧结粉末、固化树脂、热熔材料等操作,这样可以使介质行成一系列薄层,再进行层层迭加使其形成我们设计的三维实体,从而完成所设计的新产品三维实体模型.

2快速原型技术（RP技术）的工艺方法

2.1熔融沉积造型工艺

这是一种将各种热熔性的丝状材料（蜡、ABS和尼龙等）加热熔化成形方法,它技术设备简单,运行费用便宜,这种工艺适用场合比较灵活,没有毒气或化学物质的危险,工艺相对于其它成型方法,比较干净、操作比较简单、且不产生多余的垃圾.可以快速成型楼空模型,原材料以线的形式提供,相对于其它成型方法易于搬运和更快速更换.但是问题在于精度相对低,难以成型结果比较复杂的零部件.在垂直方向上强度较小,成形速度也较慢,不适合构建大型零部件.这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试.其原理图如图1：

2.2三维打印成型工艺

其工艺原理图如图2：

如图所示,左侧是一个储料容器,是材料放置在快速成型设备中的起始位置,工作平台中间有一个平整的金属平台,上面有一层层的粉末材料,它由成型机的滚筒设备铺开,由成型机打印头喷出的粘结剂进行粘接,这种工艺的成形速度快,运行成本也较低,可以使用淀粉、石膏粉等常见的材料做原材料,且废弃物较少,任意结构和形状的零件都适用.

2.3立体印刷成型工艺

其工艺原理图如图3：

它是快速原型技术中技术应用最广泛、最成熟的一种方法.它在工作过程中首先在成型机工作台上铺一层液态树脂,CAD/CAM软件控制的激光束依照截面轮廓做横、纵向上的激光扫描,使轮廓内的树脂固化,然后把工作台下降一定的位置,在涂上一层树脂,再进行扫描,如此反复进行直到整个原型成形完毕.这种工艺可以成形任何形状的三维实体,仿真性很强,成形的精度及材料的利用率都很高.

3RP技术在复合材料中的应用

3.1复合陶瓷材料的制备

RP技术首先借助支撑材料把陶瓷制品内的可动件和主体联成一体,再经过预烧工艺除去支撑材料,然后经过烧结工艺获得陶瓷制品.虽然陶瓷制品都需要经过高温烧制工艺,但其在制胚过程中可以在常温下进行.

3.2高分子基复合材料的制备

有机高分子材料具有熔点低、密度小、其自身在熔融状态具有一定的粘性,不需要外加粘结剂的特点,所以它是非常理想的快速原型技术的材料.但是有机分子高分子材料的机械的综合性能较低,就连高密度聚乙烯的抗压强度也只有20MPa~40MPa.所以,一般都要掺入增强材料来组成有较高机械强度的复合材料.例如：美国用粒度3μm~6μm的玻璃纤维增强的PVC,制备出了大量的特种模具和零件,它们的精度高,抗拉强度好,且其强度是钢材的3.5倍左右.

快速原型技术在制备高分子材料时,要注意尽管增强纤维在引出工作头前已经进行过浸胶处理,即在增强纤维的表面涂抹一层熔融有机高分子材料,这样可以使新原材料间的相互粘接问题得到解决.但是由于零件的形状具有多个凹槽、空洞、凸起等结构,这就使得工作头在越过这些结构时,有些长纤维在离开原来位置时呗自动剪断,而到达新的位置时又自动与工件粘牢的问题.

3.3金属基复合材料的制备

在室温或者较低的温度条件下,高分子材料可以使工作头引出的新料和固化的旧料黏结在一起,在常温的条件下,陶瓷材料本身虽然不会出现黏结的现象,但是经过塑化后的熟料和外加有机黏结剂可以让陶瓷材料黏结成胚,但是,这些工艺都不适合制备金属材料.

金属材料的新、旧料之间的黏合比其它复合材料的要困难和复杂.制备金属和金属基复合材料制品使用快速原型技术有快速凝固的特点.作为基体材料的金属在熔融状态时是以金属流的形式从工作头引出的,这点和快速凝固工艺中的Taglor抽丝方法较为相似.例如：用碳纤维作增强芯料制备复合材料,它既能够有优良的快速凝固金属的性能,又可以制的具有综合性能的纤维增金属基复合材料.所以,使用RP技术制备金属基复合材料是非常具有可行性的.

4结论

RP技术突破了传统机械零件加工制造的材料成形的工艺,它引入了自动控制学、机械工程学、计算机、材料学等多种学科的先进制造技术,并且它在下面两个方面还有非常突出的作用,制备高分子材料基复合材料各复合陶瓷制品方面；在解决金属材料新旧料之间的黏合问题上它使用的是局部跟踪加热技术和焊接技术,对这个问题也有很大的帮助,尤其是RP技术应用在复合材料成形方面,使复合材料的发展得到了很好的前景.