快速成形技术中材料成形性的研究进展

李亲知

摘 要 本文简要介绍了几种典型快速成型技术的基本原理，分析了材料在快速成型技术中的研究和应用现状，并讨论了快速成型技术中材料的快速成型问题。 指出快速成型材料的研发和新材料的快速成型是材料和制造工程科学的重要发展方向。

关键词 快速成形 材料成形性 研究进展

中图分类号：TG39 文献标识码：A

0引言

快速成型技术RP&M;在20世纪80年代后期起源于美国，当时由于计算机技术尤其是CAD / CAM技术的发展，人们可以直接获得3D数据设计零件，然后使用分层切片软件，通过使用这种方法，我们可以快速生产具有非常复杂形状的三维固体零件而无需夹具或模具。到目前为止，已经出现了十多种不同的RP&M;系统，包括SLA、 SLS、FDM、LOM与3DP。

1快速成形技术中各种材料的研究现状

1.1 RP&M;技术

RP&M;技术在十多年的发展历程中，平均每年都有新技术发展。 目前已形成十几种先进技术。SLA技术被广泛用于为产品和模型的CAD设计提供样本和测试模型。它也可以间接用于生产金属零件，方法是添加其他组件以替代SLA原型中用于熔模铸造的蜡模，各种金属零件也可以通过石蜡铸造中的蜡模等熔模铸造生产。日本开发了基于SLA工艺的桌面微加工系统和特殊的光固化树脂材料。激光源被光点尺寸为5%em的紫外光代替，并制成各种微型部件的原型。其中一个微弹簧的直径只有50微米，长度只有250微米。另一种管状单向阀的内径为80微米，X和Y方向为0.25微米，Z方向为1微米，最小成形单元尺寸仅为5微米？微米？微米。

1.2 SLS技术

目前，对涂覆树脂砂或反应性树脂涂层陶瓷粉作为原料进行了大量研究。SLS技术的常用原材料是塑料，蜡，陶瓷，金属及其复合粉末。赵剑锋等人采用SLS技术制备了整体式叶轮和齿轮（树脂涂层砂：环氧树脂10：1），摩托车灯和扶手样机，叶轮铸造蜡模。他们还根据零件CAD设计提供STL文件，并通过分层切分数据获得零件的正激光扫描轨迹，并在一定程度上反转。在得克萨斯大学奥斯汀分校研究了不含聚合物粘合剂的金属粉末（Cu-Sn，Ni-Sn或青铜镍粉）的SLS成型，并且成功地制造了金属模具。近年来，他们已成功制造用于INCONEL625高温合金的金属部件和用于F-14和AIM-9导弹的Ti-6A1-4V合金， Kruth等人也成功地烧结了Fe-Cu合金粉末。

1.3 LOM 技术

LOM技术除了模具和模型之外，它还可以直接制造结构或功能部件。常用原材料是纸张，金属箔，塑料薄膜，陶瓷薄膜等。Donald A. Klosterman等人使用这种技术来制备陶瓷部件和陶瓷复合材料。LOM成形部件的性能与干压法相近，但制造效率高，有利于制备几何形状复杂的结构件。近年来，该方法已被用于使用预浸料坯作为原料来制造聚合物基体复合材料。LOM技术具有成形速度快，制造成本低的优点。然而，由于材料薄膜厚度的限制，未处理的表面不光滑，因此需要退回。

1.4 FDM 技术

FDM技术可直接用于制备金属零件和多种型号，所使用的材料是线材，包括蜡，塑料，低熔点金属和陶瓷等，通过Robert W.Gray IV和FDM技术制备短热致液晶（TLCP-热致液晶聚合物）纤维增强热塑性聚合物复合材料。美国陶瓷研究中心的MukeshAgarwala使用改进的FDM，即FDC（熔融沉积陶瓷），以将金属丝代替陶瓷材料制备陶瓷部件。他们使用GS-44导线，R系列粘合剂，熔化温度为100～150℃，然后经过熱处理和高温加压烧结。GS-44主要由Si3N4和约10体积%的氧化物烧结助剂组成。在高温下，氧化物熔融提供液相致密化，并且%Z-Si3N4转化为%[-Si3N4。

1.5 3DP 技术

3DP技术中常用的材料包括陶瓷，金属和塑料粉末。P.F.Blazdell等人使用60%ZrO2浆料通过多层印刷来制造陶瓷坯料。Jason Grau等人使用3DP技术来制备用于浆料浇注的氧化铝模具以取代传统的石膏模具。美国Soligen公司使用这种3DP原理来制造陶瓷铸造外壳。烧结后可直接铸造金属部件（直接外壳生产铸造（又称DSPC法），3DP技术成本较低，成型速度较快，但粉末层松动影响成型强度和精度组件。

2材料成形性相关问题研究

2.1材料成形原理

在SLA工艺中，树脂材料在树脂材料的成型过程中逐层固化。聚合物的结晶，取向和交联与扫描方向之间的关系直接决定了成形材料的性质。同时，扫描线方向X方向的性能，层面叠加方向（Z方向）的性能是否与Y方向材料相同。在SLS工艺中，研究了烧结金属粉末的凝固过程和致密化机理，树脂粉末烧结过程中分子链构象的形成规律，陶瓷粉末的非平衡烧结特性以及微观结构的形成和复合，粉末中各组分的相互作用需要进一步研究。此外，还讨论了FDM工艺中塑料，金属，陶瓷及其复合材料的层压机理，如喷嘴中固态到液态形成材料，喷嘴出口后凝固成固相的层压机制，3DP技术中塑料，金属，陶瓷及其复合材料的层压机理，材料在处理过程中的致密化机理存在许多问题需要明确和控制。

2.2材料的成形性

与材料的可加工性，铸造性，锻造性和可焊性相对应，材料在快速成型中的可成型性可以定义为适用于快速成型和加工的材料的难易程度和质量。可以看出，材料的快速成型不仅与材料的性质有关，而且与成形材料或部件的成形方法和结构形式有关。材料的快速成型应主要包括成形材料的密度和孔隙率，成形材料的微观结构是否满足成形材料或零件的要求，成形材料或零件的精度和表面粗糙度以及成形材料的收缩率（内部应力，变形和开裂）并满足不同快速成型方法的具体要求。

3结语

随着科学研究的不断深入和科学数据的积累，快速成型技术的产业化进程将会得到推进。同时，快速成型过程中新材料行为的研究促进了材料科学的快速发展，为新材料在制造业的广泛应用开辟了一条新道路。

参考文献

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