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第２ｌ卷 第３期 山东轻工业学院学报 Ｖｌ０】．２１ Ｎｏ．３ ２００７年 ９月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＤ０ＮＧ ＩＮＳＴ１ＴＵＴＥ ＯＦ ＬＩＧＨＴ ＩＮＤＵＳＴＲＹ Ｓｅｐ． ２００７ 文章编号：１００４—４２８０（２１３０７）０３—０００８—０３ 基于 Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ的快速成型技术研究 赵康培 （山东交通学院工程机械系，山东济南２５００２３） 摘要：快速成型拶术可以由三维实体模型直接制造出具有复杂结构的零件。选择性激光烧结（ＳＬＳ）成型是一种传 统快速成型和激光技术相结合的成型工艺。介绍了ＳＬＳ工艺的原理，探讨了该工艺在手机外壳快速制模中的应 用。 关键词：快速成型制造；ＳＬＳ；模具；Ｐｒｏ／Ｅｎｇ＂ｎｅｅｒ 中图分类号：ＴＧ２４１ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｗｌｌ Ｏｉｌ ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｃｎｇ ｌｍｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ Ｐｒｏ／￣ｒ ｓｏｌｔｗａｒ￣ ＺＨＡＯ Ｋａｎｇ－ｐｅｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍ￣ｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ ２５００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｈａｐｅ ｐａｒｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ（ＲＰ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅ１．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌ ａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ（ＳＩＳ）ｉｓ ａ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｄｉ— ｔｉｏｎａｌ ＲＰ ａｎｄ ｌａｓｅｒ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＳＩＳ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｒａｐｉｄ ｄｉｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｉｓ ｄｉｓ— ｃｕｓｓｅｄ ａｓ ｗｅｌ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ＳＩＳ；ｄｉｅ；Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ 本文利用ＳＩＳ方法，将在Ｐｒｏ／Ｅｆ１ｇｉｎｅｅｒ软件中设 ０引言 计的手机外壳加工成型。图１为设计的手机外壳的 三维实体造型。 快速成型制造技术（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ Ｍａｎｕｆａｃ． ｔｕｒｉｎｇ，简称ＲＰＭ）最早出现于２０世纪８Ｏ年代的美 国，该技术根据在计算机上构建的三维模型，采用 “分层制造、逐层叠加”的加工原理，无需任何传统的 加工机床、刀具和工模具，即可在很短的时间内制造 出实体零件、产品样品或模具。因此在工业领域表 现出了很强的生命力和广阔的应用前景 ｊ。 图１三维实体造型 目前，快速成型制造技术的实现方法主要有分层 实造法（ＬＯＭ，Ｌａｍｉａｎｔｅｄ Ｏｂｊｃｅｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）、立 １ ＳＬＳ的工艺原理 体光刻成型法（ｓＬＡ，Ｓｔｅｒｅｏ Ｌｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）、熔丝 沉积成型法（ｆ１）Ｍ，Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）、三维喷 ＳＩＳ工艺原理如图２所示［２】。首先由ＣＡＤ产生 涂粘接（３ＤＰ，Ｔｈｒｅｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）和选择性激光 制件的三维模型，用分层切片软件对其进行切片处 烧结法（ｓＩＳ，Ｓｅｌｃｅｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）等Ｅ２３。 理，获得各截面形状的信息参数，作为激光束进行二 收稿日期：２００６—１２—０６ 作者简介：赵康培（１９７７一），男，山东省莱芜市人，山东交通学院工程机械系助教，硕士，主要从事模具ＣＡＤ／ＣＡＭ及其数值模拟研究 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 赵康培：基于Ｐｒｏ／Ｅ ｎｅｅｒ的快速成型技术研究 ９ 维扫描的轨迹。同时将ＳＩＳ成型机粉床上的粉末材 料预热至材料熔融温度以下，然后根据制件几何形 体各层截面的坐标数据，在计算机的控制下，激光以 一（２）试验材料：试验材料选择聚苯乙烯（ＰＳ）粉 末。聚苯乙烯是无色无臭的透明性刚硬固体，在热 塑料中是最容易成型加工的品种之一，其性能见表 ２［４３。 定的扫描速度和能量密度有选择地对材料粉末分 层扫描，由于激光能量在选定的扫描轨迹上作用于 粉末材料，使粉末材料粘接固化。一层烧结完成后， 表２聚苯乙烯的性能参数 电机驱动工作台，使粉末固化层下降一个层厚高度， 用铺粉辊将新粉末材料均匀地铺放在前一固化层 上，再进行下一层扫描烧结，新的一层和前一层自然 地烧结在一起，如此层层叠加，最终生成所需要的三 维实件。 三 末 ２试验设备及试验材料 （１）试验设备：试验设备选用华中数控ＨＲＰＳ— ＩＩＩＡ激光快速成型机，其主要技术参数见表１＿３Ｊ。该 设备主要由计算机控制系统、主机和激光冷却器三 部分组成。计算机控制系统由高可靠性计算机、性 能可靠的控制模块、电机驱动单元和各种传感器组 成，还配以Ｈｌｈｒ＇Ｓ２００２控制软件用于三维图形数据 处理、加工过程的实时控制及模拟；主机由可升降工 作缸、落粉桶、铺粉辊装置、聚焦扫描单元、加热装 置、机身与机壳六个单元组成；激光冷却器由可调恒 温冷却器及外管路组成，用于冷却激光器，提高激光 能量稳定性，保护激光。 表１ 一ＩＩＩ型ＳＩＳ设备的主要性能参数 成型空间（长×宽×高）／ｍｍ ４００×４００×５００ 主机外形尺寸／ｍｍ ２２舳×１１７０×２１７０ 激光器类型 射频ＣＯ２ 激光波长／ｐｍ ｌ０．６０Ｏ 激光器输出功率／Ｗ ５Ｏ 激光扫描系统 振动式动态聚焦扫描 扫描速度／ｍｍ・ｓ ４００～４００ｏ 铺粉时间／ｓ ３．８ 单层厚度／ｍｍ Ｏ．ｏ７Ｓ一０．３‘）ｏ 烧结间距／ｍｍ ０．Ｏ５０—０．２００ 应用软件 ＨＲＰＳ—Ｓ１１Ｊ和ＨＲＰＳ—ＰＤＳｌｉｃｅ ＣＡＤ格式 Ｓｎ 工作环境／￣Ｃ １０～２８ 成型材料 粉末材料 送粉方式 采用双送粉桶 制件成形精度／ｍｍ ±０．２５Ｏ，删 ３试验过程及结果分析 （１）调用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件的ＳＴＬ文件生成格式 模块，将三维模型转换成ＳＴＬ格式，并对其进行网格 划分（图３），准备进行分层处理。 图３ ＳＴＬ网格划分 （２）在计算机中对模型进行切片处理，使三维模 型变成一系列二维的平面图形。对应每一个平面图 形，计算生成相应的扫描轨迹。 （３）在活塞工作台上用辊筒铺上一层聚苯乙烯 粉末材料，粉层的厚度应等于对应模型切片层的厚 度，并将其加热至略低于它的熔化温度（一般低于２ ～３℃）。 （４）ｃｏ２激光束在计算机控制下，按照截面轮廓 信息，对粉末进行扫描。激光扫描区域，粉末温度升 至熔化点，于是粉末颗粒交界处熔化，相互粘结；未 被扫描的区域，粉末还是松散状态，作为工件和下一 层粉末的支撑。 （５）扫描完成后，活塞工作台下降一截面层的高 度，再进行下一层的铺料和烧结，如此循环，最后形 成一个三维制件。 当激光功率为２５％时，调节激光扫描间距、激 光烧结层厚、制件摆放角度等工艺参数，观察各工艺 参数组合下烧结件的表面粗糙情况。试验中工艺参 数的设置如图４所示。 烧结完毕后得到的制件如图５所示。从制备成 维普资讯 http://www.cqvip.com
１Ｏ 山东轻工业学院学报 第２１卷 结构要素进行观察可以看出：手机外壳的壁厚较为 均匀，可以避免因为壁厚不均匀而产生缺陷及裂纹； 手机外壳需要抽芯的孔径脱模斜度设计较好，能够 使抽芯动作顺利进行。 ４结束语 选择性激光烧结技术将传统的快速成型技术与 激光技术结合在一起，在快速制造中的优势十分明 图４工艺参数设置 显。本文借助Ｐｍ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ软件对手机外壳ＣＡＤ 模型进行网格划分，在ＨＲＰＳ—ＩＩＩＡ激光快速成型机 上对其进行烧结试验。试验结果表明：在激光功率 为２５％，扫描速度为２０００ ｍｉｌｌ・ｓ～，烧结间距０．１ ｍｉｌｌ 条件下，烧结件的各项参数都能满足设计要求。 参考文献： ［１］王秀峰．快速原型制造技术［Ｍ］．北京：中国轻工业出版社， ２００１ ［２］王运赣．快速成型技术［Ｍ］．武汉：华中理工大学出版社，１９９９． ［３］王秀峰，罗杰．快速原型制造技术［Ｍ］．北京：中国轻工业出版 图５ ＳＬＳ成型制件 社，２００１． 型件的结构上看，基本体现出设计思路。对制件的 壁厚、铸造圆角半径、铸孔、脱模斜度及表面质量等 ［４］李广惠．选择性激光烧结快速成型制件精度的研究［Ｄ］．哈尔 滨：哈尔滨理工大学，２００３． （上接第７页） 胞状物的大小不均有关。当沉积层的含ｗ量基本 不变时，降低Ｐ含量获得的纳米晶沉积层具有极高 硬度，加之与基体牢固的结合强度及其达到的３０ ｔａｎ厚度为硬齿面齿轮减速器的齿面硬化提供了可 能性。 Ｔｓａｉ Ｙｉ—ｙｉｎｇ，ＷＵ Ｆａｎ—ｂｅａｎ，ＣＨＥＮ Ｙｕｎｇ－ｉ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｅ— ｃｈａａｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆＮｉ—ｗ—Ｐ ｅｌｅｅｔｒｏｌｅｓｓ ｄｅ１）０８ｉｔ８［Ｊ］．ＳｕｒｆａｇＡ￣ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，１４６—１４７（６）：５０２—５０７． 郑志军，高岩．钨对化学镀Ｎｉ２Ｗ２Ｐ合金镀层结构及性能的影响 ［Ｊ］．电镀与环保，２００５，２５（３）：１９—２２． 荆慧，吕广庶，蔡刚毅，等．不同类型化学镀镍层耐磨性的研究 ［Ｊ］．电镀与涂饰，２００５，２４（２）：４—６． （２）在镀态下，非晶态Ｎｉ—Ｗ—Ｐ沉积层的耐蚀 性优于非晶态Ｎｉ—Ｐ的耐蚀性。考虑到Ｎｉ—Ｗ—Ｐ 沉积层的生产成本，对高压液压阀的工作表面宜采 用非晶态Ｎｉ—Ｐ沉积层。 于会生，姜秉元，李延祥．化学沉积Ｎｉ—Ｐ和 —Ｗ—Ｐ合金耐 蚀性以及热处理的影响［Ｊ］．洛阳工学院学报，１９９７，１８（４）：１９． ＬＵ Ｇｕｏ－ｊｉｎ．Ｇｉｏｖａｎｎｉ Ｚ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｃｔｒｅｏｌｅｓｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｎｉ—Ｐ—Ｂａｓｅｄｔｅｒｎａｒｙａｌｌｏｙｓ［Ｊｊ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｅｉ— ｅｔｙ，２００３，１５０（１１）：７７７—７８６． Ｄｕ Ｎ，ＰｒｉｔｚｋｅｒＭ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆ ｅｌｃｔｅｒｏｌｅｓｓ ｐｌ￣ｔｉ．ｇｏｆＮｉ—Ｗ—Ｐａｌ— 参考文献： Ｉ１］Ｂａｌａｒａｊｕ Ｊ Ｎ，ｌｈｊ￣ｍＫ Ｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆＮｉ—Ｃｕ—Ｐ，Ｎｉ— Ｗ—Ｐ ａｎｄ Ｎｉ—Ｗ—Ｃｕ—Ｐ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ＆Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ— ｇＹ，２００５，１９５（３）：１５４—１６１． ｌｏｙｆｉｈｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２ＯＯ３，３３（４）：１００１— １００９． 宋锦福，郭凯铭．化学镀Ｎｊ—Ｗ—Ｐ合金镀层的ｘＰｓ分析［Ｊ］． Ｅｌｅｅｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ＆Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９９８，１８（４）：１６—１８．