金屬材料物理性能測試機

"金屬材料的性能決定著材料的適用範圍及套用的合理性。 2.塑性

金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱。包括純金屬、合金、金屬間化合物和特種金屬材料等。 (註:金屬氧化物(如氧化鋁)不屬於金屬材料)意義:人類文明的發展和社會的進步同金屬材料關係十分密切。繼石器時代之後出現的銅器時代、鐵器時代,均以金屬材料的套用為其時代的顯著標誌。現代,種類繁多的金屬材料已成為人類社會發展的重要物質基礎。種類:金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。①黑色金屬又稱鋼鐵材料,包括含鐵90%以上的工業純鐵,含碳 2%~4%的鑄鐵,含碳小於 2%的碳鋼,以及各種用途的結構鋼、不鏽鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。②有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金,通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。有色合金的強度和硬度一般比純金屬高,並且電阻大、電阻溫度係數小。③特種金屬材料包括不同用途的結構金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態金屬材料,以及準晶、微晶、納米晶金屬材料等;還有隱身、抗氫、超導、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金,以及金屬基複合材料等。 性能:一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機械零件在加工製造過程中,金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞,決定了它在製造過程中加工成形的適應能力。由於加工條件不同,要求的工藝性能也就不同,如鑄造性能、可焊性可鍛性熱處理性能、切削加工性等。所謂使用性能是指機械零件在使用條件下,金屬材料表現出來的性能,它包括力學性能、物理性能、化學性能等。金屬材料使用性能的好壞,決定了它的使用範圍與使用壽命。在機械製造業中,一般機械零件都是在常溫、常壓和非常強烈腐蝕性介質中使用的,且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能,稱為力學性能(過去也稱為機械性能)。金屬材料的力學性能是零件的設計和選材時的主要依據。外載入荷性質不同(例如拉伸、壓縮、扭轉、衝擊、循環載荷等),對金屬材料要求的力學性能也將不同。常用的力學性能包括:強度、塑性、硬度、衝擊韌性、多次衝擊抗力和疲勞極限等。

金屬材料的疲勞

許多機械零件和工程構件,是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下,雖然應力水平低於材料的屈服極限,但經過長時間的應力反覆循環作用以後,也會發生突然脆性斷裂,這種現象叫做金屬材料的疲勞。
金屬材料疲勞斷裂的特點是:
(1)載荷應力是交變的;
(2)載荷的作用時間較長;
(3)斷裂是瞬時發生的;
(4)無論是塑性材料還是脆性材料,在疲勞斷裂區都是脆性的。
所以,疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式
金屬材料的疲勞現象,按條件不同可分為下列幾種:
(1)高周疲勞:指在低應力(工作應力低於材料的屈服極限,甚至低於彈性極限)條件下,應力循環周數在100000以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞。
(2)低周疲勞:指在高應力(工作應力接近材料的屈服極限)或高應變條件下,應力循環周數在10000~100000以下的疲勞。由於交變的塑性應變在這種疲勞破壞中起主要作用,因而,也稱為塑性疲勞或應變疲勞。
(3)熱疲勞:指由於溫度變化所產生的熱應力的反覆作用,所造成的疲勞破壞。
(4)腐蝕疲勞:指機器部件在交變載荷和腐蝕介質(如酸、鹼、海水、活性氣體等)的共同作用下,所產生的疲勞破壞。
(5)接觸疲勞:這是指機器零件的接觸表面,在接觸應力的反覆作用下,出現麻點剝落或表面壓碎剝落,從而造成機件失效破壞。

金屬材料的塑性

塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下,產生永久變形(塑性變形)而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時,長度和橫截面積都要發生變化,因此,金屬的塑性可以用長度的伸長(延伸率)和斷面的收縮(斷面收縮率)兩個指標來衡量。
金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大,表示該材料的塑性愈好,即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。一般把延伸率大於百分之五的金屬材料稱為塑性材料(如低碳鋼等),而把延伸率小於百分之五的金屬材料稱為脆性材料(如灰口鑄鐵等)。塑性好的材料,它能在較大的巨觀範圍內產生塑性變形,並在塑性變形的同時使金屬材料因塑性變形而強化,從而提高材料的強度,保證了零件的安全使用。此外,塑性好的材料可以順利地進行某些成型工藝加工,如衝壓、冷彎、冷拔、校直等。因此,選擇金屬材料作機械零件時,必須滿足一定的塑性指標。 字串2

金屬材料的硬度

硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標之一。一般硬度越高,耐磨性越好。常用的硬度指標有布氏硬度洛氏硬度維氏硬度
1.布氏硬度(HB)
以一定的載荷(一般3000kg)把一定大小(直徑一般為10mm)的淬硬鋼球壓入材料表面,保持一段時間,去載後,負荷與其壓痕面積之比值,即為布氏硬度值(HB),單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。
2.洛氏硬度(HR)
當HB>450或者試樣過小時,不能採用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球,在一定載荷下壓入被測材料表面,由壓痕的深度求出材料的硬度。根據試驗材料硬度的不同,分三種不同的甓壤幢硎荊?HRA:是採用60kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度,用於硬度極高的材料(如硬質合金等)。
HRB:是採用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球,求得的硬度,用於硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。
HRC:是採用150kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度,用於硬度很高的材料(如淬火鋼等)。
3 維氏硬度(HV)
以120kg以內的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面,用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值,即為維氏硬度值(HV)。
硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗,生產上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關係。
實踐證明,金屬材料的各種硬度值之間,硬度值與強度值之間具有近似的相應關係。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續塑性變形抗力決定的,材料的強度越高,塑性變形抗力越高,硬度值也就越高。

金屬材料性能

金屬材料的性能決定著材料的適用範圍及套用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個方面,即:機械性能、化學性能、物理性能、工藝性能。

機械性能

(一)應力的概念,物體內部單位截面積上承受的力稱為應力。由外力作用引起的應力稱為工作應力,在無外力作用條件下平衡於物體內部的應力稱為內應力(例如組織應力、熱應力、加工過程結束後留存下來的殘餘應力…等等)。
(二)機械性能,金屬在一定溫度條件下承受外力(載荷)作用時,抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機械性能(也稱為力學性能)。金屬材料承受的載荷有多種形式,它可以是靜態載荷,也可以是動態載荷,包括單獨或同時承受的拉伸應力、壓應力、彎曲應力、剪下應力、扭轉應力,以及摩擦、振動、衝擊等等,因此衡量金屬材料機械性能的指標主要有以下幾項:
1.強度
這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力,可分為抗拉強度極限(σb)、抗彎強度極限(σbb)、抗壓強度極限(σbc)等。由於金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規律可循,因而通常採用拉伸試驗進行測定,即把金屬材料製成一定規格的試樣,在拉伸試驗機上進行拉伸,直至試樣斷裂,測定的強度指標主要有:
(1)強度極限:材料在外力作用下能抵抗斷裂的最大應力,一般指拉力作用下的抗拉強度極限,以σb表示,如拉伸試驗曲線圖中最高點b對應的強度極限,常用單位為兆帕(MPa),換算關係有:1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPaσb=Pb/Fo式中:Pb?C至材料斷裂時的最大應力(或者說是試樣能承受的最大載荷);Fo?C拉伸試樣原來的橫截面積。
(2)屈服強度極限:金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時,雖然應力不再增加,但是試樣仍發生明顯的塑性變形,這種現象稱為屈服,即材料承受外力到一定程度時,其變形不再與外力成正比而產生明顯的塑性變形。產生屈服時的應力稱為屈服強度極限,用σs表示,相應於拉伸試驗曲線圖中的S點稱為屈服點。對於塑性高的材料,在拉伸曲線上會出現明顯的屈服點,而對於低塑性材料則沒有明顯的屈服點,從而難以根據屈服點的外力求出屈服極限。因此,在拉伸試驗方法中,通常規定試樣上的標距長度產生0.2%塑性變形時的應力作為條件屈服極限,用σ0.2表示。屈服極限指標可用於要求零件在工作中不產生明顯塑性變形的設計依據。但是對於一些重要零件還考慮要求屈強比(即σs/σb)要小,以提高其安全可靠性,不過此時材料的利用率也較低了。
(3)彈性極限:材料在外力作用下將產生變形,但是去除外力後仍能恢復原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應力即為彈性極限,相應於拉伸試驗曲線圖中的e點,以σe表示,單位為兆帕(MPa):σe=Pe/Fo式中Pe為保持彈性時的最大外力(或者說材料最大彈性變形時的載荷)。
(4)彈性模數:這是材料在彈性極限範圍內的應力σ與應變δ(與應力相對應的單位變形量)之比,用E表示,單位兆帕(MPa):E=σ/δ=tgα式中α為拉伸試驗曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。彈性模數是反映金屬材料剛性的指標(金屬材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛性)。
2.塑性,
金屬材料在外力作用下產生永久變形而不破壞的最大能力稱為塑性,通常以拉伸試驗時的試樣標距長度延伸率δ(%)和試樣斷面收縮率ψ(%)延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%,這是拉伸試驗時試樣拉斷後將試樣斷口對合起來後的標距長度L1與試樣原始標距長度L0之差(增長量)與L0之比。在實際試驗時,同一材料但是不同規格(直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標距長度)的拉伸試樣測得的延伸率會有不同,因此一般需要特別加注,例如最常用的圓截面試樣,其初始標距長度為試樣直徑5倍時測得的延伸率表示為δ5,而初始標距長度為試樣直徑10倍時測得的延伸率則表示為δ10。斷面收縮率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%,這是拉伸試驗時試樣拉斷後原橫截面積F0與斷口細頸處最小截面積F1之差(斷面縮減量)與F0之比。實用中對於最常用的圓截面試樣通常可通過直徑測量進行計算:ψ=[1-(D1/D0)2]x100%,式中:D0-試樣原直徑;D1-試樣拉斷後斷口細頸處最小直徑。δ與ψ值越大,表明材料的塑性越好。3.硬度,金屬材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力稱為硬度,或者說是材料對局部塑性變形的抵抗能力。因此,硬度與強度有著一定的關係。根據硬度的測定方法,主要可以分為:
(1)布氏硬度(代號HB),用一定直徑D的淬硬鋼球在規定負荷P的作用下壓入試件表面,保持一段時間後卸去載荷,在試件表面將會留下表面積為F的壓痕,以試件的單位表面積上能承受負荷的大小表示該試件的硬度:HB=P/F。在實際套用中,通常直接測量壓坑的直徑,並根據負荷P和鋼球直徑D從布氏硬度數值表上查出布氏硬度值(顯然,壓坑直徑越大,硬度越低,表示的布氏硬度值越小)。布氏硬度與材料的抗拉強度之間存在一定關係:σb≈KHB,K為係數,例如對於低碳鋼有K≈0.36,對於高碳鋼有K≈0.34,對於調質合金鋼有K≈0.325,…等等。
(2)洛氏硬度(HR)用有一定頂角(例如120°)的金剛石圓錐體壓頭或一定直徑D的淬硬鋼球,在一定負荷P作用下壓入試件表面,保持一段時間後卸去載荷,在試件表面將會留下某個深度的壓痕。由洛氏硬度機自動測量壓坑深度並以硬度值讀數顯示(顯然,壓坑越深,硬度越低,表示的洛氏硬度值越小)。根據壓頭與負荷的不同,洛氏硬度還分為HRA、HRB、HRC三種,其中以HRC為最常用。洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之間有如下換算關係:HRC≈0.1HB。除了最常用的洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之外,還有維氏硬度(HV)、肖氏硬度(HS)、顯微硬度以及里氏硬度(HL)。這裡特別要說明一下關於里氏硬度,這是目前最新穎的硬度表征方法,利用里氏硬度計進行測量,其檢測原理是:里氏硬度計的衝擊裝置將沖頭從固定位置釋放,沖頭快速衝擊在試件表面上,通過線圈的電磁感應測量沖頭距離試件表面1毫米處的衝擊速度與反彈速度(感應為衝擊電壓和反彈電壓),里氏硬度值即以沖頭反彈速度和衝擊速度之比來表示:HL=(Vr/Vi)?1000式中:HL-里氏硬度值;Vr-沖頭反彈速度;Vi-沖頭衝擊速度(註:實際套用裝置中是以衝擊裝置中的閉合線圈感應的衝擊電壓和反彈電壓代表衝擊速度和反彈速度)。衝擊裝置的構造主要有內置彈簧(載入套管,不同型號的衝擊裝置有不同的衝擊能量)、導管、釋放按鈕、內置線圈與骨架、支撐環以及沖頭,沖頭主要採用金剛石、碳化鎢兩種極高硬度的球形(不同型號的衝擊裝置其沖頭直徑有不同)。優點:里氏硬度計的主機接收到衝擊裝置獲得的信號進行處理、計算,然後在螢幕上直接顯示出里氏硬度值,攜帶型里氏硬度計用里氏(HL)測量後可以轉化為:布氏(HB)、洛氏(HRC)、維氏(HV)、肖氏(HS)硬度。或用里氏原理直接用布氏(HB)、洛氏(HRC)、維氏(HV)、里氏(HL)、肖氏(HS)測量硬度值,同時可折算出材料的抗拉強度σb,還可以將測量結果儲存、直接列印輸出或傳送給計算機作進一步的數據處理。
3.套用範圍
里氏硬度計是一種便攜袖珍裝置,可套用於各種金屬材料、工件的表面硬度測量,特別是大型鍛鑄件的測量,其最大的特點是可以任意方向檢測,免去了普通硬度計對工件大小、測量位置等的限制。
4.韌性
金屬材料在衝擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為韌性。通常採用衝擊試驗,即用一定尺寸和形狀的金屬試樣在規定類型的衝擊試驗機上承受衝擊載荷而折斷時,斷口上單位橫截面積上所消耗的衝擊功表征材料的韌性:αk=Ak/F單位J/cm2或Kg·m/cm2,1Kg·m/cm2=9.8J/cm2αk稱作金屬材料的衝擊韌性,Ak為衝擊功,F為斷口的原始截面積。5.疲勞強度極限金屬材料在長期的反覆應力作用或交變應力作用下(應力一般均小於屈服極限強度σs),未經顯著變形就發生斷裂的現象稱為疲勞破壞或疲勞斷裂,這是由於多種原因使得零件表面的局部造成大於σs甚至大於σb的應力(應力集中),使該局部發生塑性變形或微裂紋,隨著反覆交變應力作用次數的增加,使裂紋逐漸擴展加深(裂紋尖端處應力集中)導致該局部處承受應力的實際截面積減小,直至局部應力大於σb而產生斷裂。在實際套用中,一般把試樣在重複或交變應力(拉應力、壓應力、彎曲或扭轉應力等)作用下,在規定的周期數內(一般對鋼取106~107次,對有色金屬取108次)不發生斷裂所能承受的最大應力作為疲勞強度極限,用σ-1表示,單位MPa。除了上述五種最常用的力學性能指標外,對一些要求特別嚴格的材料,例如航空航天以及核工業、電廠等使用的金屬材料,還會要求下述一些力學性能指標:蠕變極限:在一定溫度和恆定拉伸載荷下,材料隨時間緩慢產生塑性變形的現象稱為蠕變。通常採用高溫拉伸蠕變試驗,即在恆定溫度和恆定拉伸載荷下,試樣在規定時間內的蠕變伸長率(總伸長或殘餘伸長)或者在蠕變伸長速度相對恆定的階段,蠕變速度不超過某規定值時的最大應力,作為蠕變極限,以表示,單位MPa,式中τ為試驗持續時間,t為溫度,δ為伸長率,σ為應力;或者以表示,V為蠕變速度。高溫拉伸持久強度極限:試樣在恆定溫度和恆定拉伸載荷作用下,達到規定的持續時間而不斷裂的最大應力,以表示,單位MPa,式中τ為持續時間,t為溫度,σ為應力。金屬缺口敏感性係數:以Kτ表示在持續時間相同(高溫拉伸持久試驗)時,有缺口的試樣與無缺口的光滑試樣的應力之比:式中τ為試驗持續時間,為缺口試樣的應力,為光滑試樣的應力。或者用:表示,即在相同的應力σ作用下,缺口試樣持續時間與光滑試樣持續時間之比。抗熱性:在高溫下材料對機械載荷的抗力。

化學性能

金屬與其他物質引起化學反應的特性稱為金屬的化學性能。在實際套用中主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性(又稱作氧化抗力,這是特別指金屬在高溫時對氧化作用的抵抗能力或者說穩定性),以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對機械性能的影響等等。在金屬的化學性能中,特別是抗蝕性對金屬的腐蝕疲勞損傷有著重大的意義。

物理性能

金屬的物理性能主要考慮:
(1)密度(比重):ρ=P/V單位克/立方厘米或噸/立方米,式中P為重量,V為體積。在實際套用中,除了根據密度計算金屬零件的重量外,很重要的一點是考慮金屬的比強度(強度σb與密度ρ之比)來幫助選材,以及與無損檢測相關的聲學檢測中的聲阻抗(密度ρ與聲速C的乘積)和射線檢測中密度不同的物質對射線能量有不同的吸收能力等等。
(2)熔點:金屬由固態轉變成液態時的溫度,對金屬材料的熔煉、熱加工有直接影響,並與材料的高溫性能有很大關係。(3)熱膨脹性隨著溫度變化,材料的體積也發生變化(膨脹或收縮)的現象稱為熱膨脹,多用線膨脹係數衡量,亦即溫度變化1℃時,材料長度的增減量與其0℃時的長度之比。熱膨脹性與材料的比熱有關。在實際套用中還要考慮比容(材料受溫度等外界影響時,單位重量的材料其容積的增減,即容積與質量之比),特別是對於在高溫環境下工作,或者在冷、熱交替環境中工作的金屬零件,必須考慮其膨脹性能的影響。
(4)磁性能吸引鐵磁性物體的性質即為磁性,它反映在導磁率、磁滯損耗、剩餘磁感應強度、矯頑磁力等參數上,從而可以把金屬材料分成順磁與逆磁、軟磁與硬磁材料。
(5)電學性能主要考慮其電導率,在電磁無損檢測中對其電阻率和渦流損耗等都有影響。

工藝性能

金屬對各種加工工藝方法所表現出來的適應性稱為工藝性能,主要有以下四個方面:
(1)切削加工性能:反映用切削工具(例如車削、銑削、刨削、磨削等)對金屬材料進行切削加工的難易程度。
(2)可鍛性:反映金屬材料在壓力加工過程中成型的難易程度,例如將材料加熱到一定溫度時其塑性的高低(表現為塑性變形抗力的大小),允許熱壓力加工的溫度範圍大小,熱脹冷縮特性以及與顯微組織、機械性能有關的臨界變形的界限、熱變形時金屬的流動性、導熱性能等。
(3)可鑄性:反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度,表現為熔化狀態時的流動性、吸氣性、氧化性、熔點,鑄件顯微組織的均勻性、緻密性,以及冷縮率等。
(4)可焊性:反映金屬材料在局部快速加熱,使結合部位迅速熔化或半熔化(需加壓),從而使結合部位牢固地結合在一起而成為整體的難易程度,表現為熔點、熔化時的吸氣性、氧化性、導熱性、熱脹冷縮特性、塑性以及與接縫部位和附近用材顯微組織的相關性、對機械性能的影響等。
[編輯本段]我國規定哪些金屬材料需進行進出口檢驗 我國規定的需要檢驗的進出口金屬材料類商品主要有生鐵、鋼錠、鋼坯、型 材、線材金屬製品、有色金屬及其製品等。 進出口鋼材的品質、規格一般在契約中訂明,進口鋼材中採用日本Xiff’標 準JlsG系列和德國工業標準DIN系列的較氨出口鋼材一般按中國標準檢驗;關 於進口鍍鋅鐵皮、馬口鐵、矽鋼片的外觀缺陷的檢驗按國家商檢局的有關規 定執行。國外的發票、裝箱清單、品質證書、重理明細單、殘損證明、商務 記錄是有關重量、質量、數量、殘損等檢驗鑑定的重要依據。 金屬材料類商品一般是由國家商檢局或由其他商檢機構實施檢驗。對於大批 量的進口金屬材料,可在出廠前在國外製造廠進行檢驗;對於進口金屬材料 批量很大的專業單位,其本身檢驗設備齊全,技術力量較強的,經商檢機構 審核同意後,允許對其所進口的鋼材在向商檢機構申報後進行質量的初驗; 出口金屬材料時,必須進行出廠檢驗,商檢機勾在生產過程中或出廠前還進 行不定期的抽查檢驗,並以衡器抽驗重量,核對批次、嘜頭、標記等。 金屬材料以數量計價的做數量檢驗,接重量計價的則做重量檢驗。鋼材的尺 寸規格檢驗,包括鋼板的厚、寬、長;圓鋼的直徑:角鋼的邊長;槽鋼的高 度和槽寬;鋼管的直徑和壁厚等。鍍鋅鐵皮、馬口鐵的表面不得有傷痕、凹 坑、皺紋、露鐵等。金屬材料的機械及工藝性能檢驗,包括合金鋼熱處理後 的機械性能檢驗;鍋爐管和石油管的水壓試驗、擴口試驗等。金屬材料的化 學鹹分分析試驗,根據不同的用途,按標準規定以化學分析和儀器分析的方法,分析測定各種元素的含量,包括非金屬元素和有害元素。
快速成型技術的原理、工藝過程及技術特點:
快速成型屬於離散/堆積成型。它從成型原理上提出一個全新的思維模式維模型,即將計算機上製作的零件三維模型,進行格線化處理並存儲,對其進行分層處理,得到各層截面的二維輪廓信息,按照這些輪廓信息自動生成加工路徑,由成型頭在控制系統的控制下,選擇性地固化或切割一層層的成型材料,形成各個截面輪廓薄片,並逐步順序疊加成三維坯件.然後進行坯件的後處理,形成零件。
快速成型的工藝過程具體如下:
l )產品三維模型的構建。由於 RP 系統是由三維 CAD 模型直接驅動,因此首先要構建所加工工件的三維CAD 模型。該三維CAD模型可以利用計算機輔助設計軟體(如Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等)直接構建,也可以將已有產品的二維圖樣進行轉換而形成三維模型,或對產品實體進行雷射掃描、 CT 斷層掃描,得到點雲數據,然後利用反求工程的方法來構造三維模型。
2 )三維模型的近似處理。由於產品往往有一些不規則的自由曲面,加工前要對模型進行近似處理,以方便後續的數據處理工作。由於stl格式檔案格式簡單、實用,目前已經成為快速成型領域的準標準接口檔案。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型,每個小三角形用 3 個頂點坐標和一個法向量來描述,三角形的大小可以根據精度要求進行選擇。 STL 檔案有二進制碼和 ascll 碼兩種輸出形式,二進制碼輸出形式所占的空間比 ASCII 碼輸出形式的檔案所占用的空間小得多,但ASCII碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD 軟體都帶有轉換和輸出 STL 格式檔案的功能。
3 )三維模型的切片處理。根據被加工模型的特徵選擇合適的加工方向,在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似後的模型,以便提取截面的輪廓信息。間隔一般取0.05mm~0.5mm, 常用 0.1mm 。間隔越小,成型精度越高,但成型時間也越長,效率就越低,反之則精度低,但效率高。
4 )成型加工。根據切片處理的截面輪廓,在計算機控制下,相應的成型頭(雷射頭或噴頭)按各截面輪廓信息做掃描運動,在工作檯上一層一層地堆積材料,然後將各層相粘結,最終得到原型產品。
5 )成型零件的後處理。從成型系統里取出成型件,進行打磨、拋光、塗掛,或放在高溫爐中進行後燒結,進一步提高其強度。
快速成型特術具有以下幾個重要特徵:
l )可以製造任意複雜的三維幾何實體。由於採用離散/堆積成型的原理.它將一個十分複雜的三維製造過程簡化為二維過程的疊加,可實現對任意複雜形狀零件的加工。越是複雜的零件越能顯示出 RP 技術的優越性此外, RP 技術特別適合於複雜型腔、複雜型面等傳統方法難以製造甚至無法製造的零件。
2 )快速性。通過對一個 CAD 模型的修改或重組就可獲得一個新零件的設計和加工信息。從幾個小時到幾十個小時就可製造出零件,具有快速製造的突出特點。
3 )高度柔性。無需任何專用夾具或工具即可完成複雜的製造過程,快速製造工模具、原型或零件
4 )快速成型技術實現了機械工程學科多年來追求的兩大先進目標.即材料的提取(氣、液固相)過程與製造過程一體化和設計(CAD )與製造( CAM )一體化
5 )與反求工程( Reverse Engineering)、CAD 技術、網路技術、虛擬現實等相結合,成為產品決速開發的有力工具。
因此,快速成型技術在製造領域中起著越來越重要的作用,並將對製造業產生重要影響。
快速成型技術的分類:
快速成型技術根據成型方法可分為兩類:基於雷射及其他光源的成型技術(Laser Technology),例如:光固化成型(SLA )、分層實體製造(LOM)、選域雷射粉末燒結(SLS)、形狀沉積成型(SDM)等;基於噴射的成型技術(Jetting Technoloy),例如:熔融沉積成型(FDM)、三維印刷( 3DP )、多相噴射沉積( MJD )。下面對其中比較成熟的工藝作簡單的介紹。
1、SLA(Stereolithogrphy Apparatus)工藝 SLA 工藝也稱光造型或立體光刻,由Charles Hul 於 1984 年獲美國專利。 1988 年美國 3D System公司推出商品化樣機SLA-I,這是世界上第一台快速成型機。SLA 各型成型機機占據著 RP 設備市場的較大份額。
SLA 技術是基於液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態材料在一定波長和強度的紫外光照射下能迅速發生光聚合反應,分子量急劇增大,材料也就從液態轉變成固態。
SLA工作原理:液槽中盛滿液態光固化樹脂雷射束在偏轉鏡作用下,能在液態表而上掃描,掃描的軌跡及光線的有無均由計算機控制,光點打到的地方,液體就固化。成型開始時,工作平台在液面下一個確定的深度.聚焦後的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描,即逐點固化。當一層掃描完成後.未被照射的地方仍是液態樹脂。然後升降台帶動平台下降一層高度,已成型的層面上又布滿一層樹脂,刮板將粘度較大的樹脂液面刮平,然後再進行下一層的掃描,新周化的一層牢周地粘在前一層上,如此重複直到整個零件製造完畢,得到一個三維實體模型。
SLA 方法是目前快速成型技術領域中研究得最多的方法.也是技術上最為成熟的方法。 SLA 工藝成型的零件精度較高,加工精度一般可達到 0.1 mm ,原材料利用率近 100 %。但這種方法也有白身的局限性,比如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。
2、LOM(Laminated Object Manufacturing,LOM)工藝LOM工藝稱疊層實體製造或分層實體製造,由美國Helisys公司的Michael Feygin於 1986 年研製成功。LOM工藝採用薄片材料,如紙、塑膠薄膜等。片材表面事先塗覆上一層熱熔膠。加工時,熱壓輥熱壓片材,使之與下面已成型的工件粘接。用CO2雷射器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框,並在截面輪廓與外框之間多餘的區域內切割出上下對齊的格線。雷射切割完成後,工作檯帶動已成型的工件下降,與帶狀片材分離。供料機構轉動收料軸和供料軸,帶動料帶移動,使新層移到加工區域。工作合上升到加工平面,熱壓輥熱壓,工件的層數增加一層,高度增加一個料厚。再在新層上切割截面輪廓。如此反覆直至零件的所有截面粘接、切割完。最後,去除切碎的多餘部分,得到分層製造的實體零件。
LOM 工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓,而不用掃描整個截面。因此成型厚壁零件的速度較快,易於製造大型零件。工藝過程中不存在材料相變,因此不易引起翹曲變形。工件外框與截面輪廓之間的多餘材料在加工中起到了支撐作用,所以 LOM 工藝無需加支撐。缺點是材料浪費嚴重,表面質量差。
3、SLS(Selective Laser Sintering)工藝 SLS工藝稱為選域雷射燒結,由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard於 1989 年研製成功。 SLS工藝是利用粉末狀材料成型的。將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面,並刮平,用高強度的CO2雷射器在剛鋪的新層上掃描出零件截面,材料粉末在高強度的雷射照射下被燒結在一起,得到零件的截面,並與下面已成型的部分連線。當一層截面燒結完後,鋪上新的一層材料粉末,有選擇地燒結下層截面。
燒結完成後去掉多餘的粉末,再進行打磨、烘乾等處理得到零件。
SLS工藝的特點是材料適應面廣,不僅能製造塑膠零件,還能製造陶瓷、蠟等材料的零件,特別是可以製造金屬零件。這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐,因為沒有燒結的粉末起到了支撐的作用。
4、3DP (Three Dimension Printing)工藝三維印刷工藝是美國麻省理工學院E-manual Sachs等人研製的。已被美國的Soligen公司以DSPC(Direct Shell Production Casting)名義商品化,用以製造鑄造用的陶瓷殼體和型芯。
3DP 工藝與SLS工藝類似,採用粉末材料成型,如陶瓷粉末、金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連結起來的,而是通過噴頭用粘結劑(如矽膠)將零件的截面“印刷”在材料粉來上面。
用粘結劑粘接的零件強度較低,還須後處理。先燒掉粘結劑,然後在高溫下滲人金屬,使零件緻密化,提高強度。
5 . FDM (Fused Depostion Modeling)工藝 熔融沉積製造( FDM )工藝由美國學者Scott Crump於 1988 年研製成功。 FDM 的材料一般是熱塑性材料,如蠟、 ABS 、尼龍等。以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動,同時將熔化的材料擠出,材料迅速凝固,並與周圍的材料凝結。
FDM技術描述
FDM技術是由stratasys公司所設計與製造,可套用於一系列的系統中。這些系統為FDM Maxum,FDM Titan,Prodigy Plus以及Dimension。FDM技術利用ABS,polycarbonate(PC),polyphenylsulfone (PPSF)以及其它材料。這些熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態的細絲,由沉積在層層堆疊基礎上的方式,從3D CAD資料直接建構原型。該技術通常套用於塑型,裝配,功能性測試以及概念設計。此外,FDM技術可以套用於打樣與快速製造。
圖1 FDM技術噴嘴示意圖
FDM 術語
waterworks(水溶性支撐): 可以分解於鹼性水溶劑的可溶解性支撐結構。
Break Away Support Structure (BASS) (易剝離性支撐): 水溶性支撐的前身,需要手動剝離工件表面的支撐。
Tip(噴嘴): 擠壓成型用的噴嘴。噴嘴提供各種不同的孔徑讓使用者選擇。
Road(線材):在噴嘴的單一路徑中所擠壓成型的材料。可由噴嘴尺寸與材料進幾率控制。
物理屬性
符合原型套用的物理需求,大概是選擇快速原型技術的最重要因素。快速原型的物理屬性將定義他的品質並決定賦予的套用成敗。
工程材料屬性
當詢問到重要性的排序,快速原型的使用者通常會聲明材料屬性是最重要的考慮。致力於工業需求,符合這些預期用來生產的材料的材料屬性是很重要的。而這是FDM技術最重要的強項之一。當Stratasys公司製造用於FDM技術的所有材料,每一項都是從商業上可用的熱塑性樹脂來生產。
ABS: 所有的FDM系列產品都提供ABS作為材料選項,而接近90%的FDM原型都是由這種材料製造。使用者報告說ABS的原型可以達到注塑ABS成型強度的80%。而其它屬性,例如耐熱性與抗化學性,也是近似或是相當於注塑成型的工件,其耐熱度為攝氏93.3度。這讓ABS成為功能性測試套用的廣泛使用材料。
Polycarbonate: 可以在Titan機型上使用的一種新式RP材料--polycarbonate –正在快速成長。增加強度的polycarbonate比ABS材料生產的原型更經得起力量與負載。許多使用者相信該材料生產的原型可以達到注塑ABS成型的強度特性,其耐熱度為攝氏125度。
其它材料: FDM技術還有其它的專用材料。這些包含polyphenylsulfone、橡膠材質以及蠟材。橡膠材質是用來作類似橡膠特性的功能性原型。蠟材是特別設計來建立脫蠟鑄造的樣品。蠟材的屬性讓FDM的樣品可以用來生產類似鑄造廠中的傳統蠟模。Polyphenylsulfone,一種套用於Titan機型的新工程材料,提供高耐熱性與抗化學性以及強度與硬度,其耐熱度為攝氏207.2度。
圖2 PPSF耐高溫工程材料套用於咖啡壺設計
Stratasys宣布已經針對FDM快速原型系統Titan發表PPSF材料。在各種快速原型材料之中,PPSF (或是稱為 polyphenylsulfone)有著最高的強韌性、耐熱性、以及抗化學性。
航天工業、汽車工業以及醫療產品業的生產製造商是第一批期待使用這種PPSF材料的用戶。航天業將會喜歡該材料的難燃屬性;汽車製造業也非常想套用其抗化學性以及在400度以上還能持續運作的能力;而醫療產品製造商將對PPSF材質的原型可以進行消毒的能力感到興趣。
測試單位,Parker Hannifin安裝了一個PPSF作的模型到汽車引擎中。該零件是一個名為crankcase vapor coalescer的過濾器,裝在一組V8引擎並作40 小時的測試以決定過濾器媒介的效能。該零件收集的燃氣包含有160度的潤滑油,燃料,油煙,以及其它燃燒的化學反應生成物。Parker Hannifin的Russ Jensen說,“該裝配件並沒有產生外漏,並且其展現出與第一次裝配時相同的強度與屬性。我們相當滿意它的表現。”
測試單位,MSOE (Milwaukee School of Engineering)的操作經理Sheku Kamara,同樣地很滿意該新材料。“當在玻璃熔融的450度時,在各種快速原型材料之中,PPSF材料還擁有著除了金屬之外最高的操作溫度以及堅硬度,”他說。“在粘著劑測試期間,PPSF原型零件遭受於溫度從14度到392度的考驗且依然保持完整。”
顏色
包含最常用到的白色,ABS提供六種材料顏色。色彩的選項包含藍色,黃色,紅色,綠色與黑色。醫學等級的ABSi 提供針對於半透明的套用,例如汽車車燈的透明紅色或是黃色。
圖3、4 彩色模型裝配件
屬性穩定度
不像SLA以及Polyjet的樹脂,FDM材料的材料屬性不會隨著時間與環境曝曬而改變。就像是注塑成型的副本,這些材料幾乎在任何環境下都會保持他們的強度,硬度以及色彩。
精準性
快速原型的尺寸精度取決於許多因素,而其結果可能會因為每個工件或是不同日期而有些微小變化。需要考慮的事情必須包含已知的條件,例如量測的時間範圍,工件的拚?約盎肪車鈉厴埂?axum,Titan以及Prodigy Plus精準度資料詳見附表一。精度測試工件如圖5、6所示,在每一台機器中均用層厚0.18 mm所建構以形成目前的精準性資料。
圖5 圖示的工件試用來比較精準性
圖6 所示的測試工件是用來做尺寸精度及運作時間分析。該工件是由FDM Titan在層厚0.18mm時所製作的。
MAXUM TITAN PRODIGY
理論尺寸 實際尺寸 百分比 理論尺寸 百分比 理論尺寸 百分比
A 76.2 76.2 0.00 76.2 0.00 76.1 0.17
B 25.4 25.5 0.30 25.5 0.40 25.6 0.60
C 152.4 152.4 0.00 152.3 0.08 152.4 0.00
D 2.54 2.51 1.00 2.54 0.00 2.54 0.00
E 76.2 76.15 0.07 76.07 0.17 76.12 0.10
F 101.6 101.57 0.02 101.42 0.18 101.50 0.10
G 25.4 25.48 0.30 25.50 0.40 25.55 0.60
H1 12.7 12.62 0.60 12.65 0.40 12.55 1.20
H2 12.7 12.62 0.60 12.67 0.20 12.55 1.20
I 12.7 12.67 0.20 12.7 0.00 12.62 0.60
J 6.35 6.43 1.20 6.55 3.05 6.48 2.00
K 12.7 12.67 0.20 12.78 0.60 12.78 0.60
表1為Maxum、Titan以及Prodigy Plus的尺寸精度資料。所有的測試零件均用層厚0.18mm所建構。(單位:mm)
工件建構
一般而言,FDM技術所提供的準確性通常相等或是優於SLA技術以及PolyJet技術,且確定優於SLS技術。然而,由於精準性是取決於許多的因素,所以矛盾的結果便會發生在個別的原型上。FDM技術的精準性受到較少的變數影響。用SLA,SLS以及PolyJet技術,尺寸精準性會受影響的因素有機器的校正,操作的技巧,工件的成型方向與位置,材料的年限以及收縮率。
Z軸
這並非一定都會這樣,Z軸可能是被證明準確性最小的。除了先前所討論的變化之外,原型的高度可能由於層厚整數誤差而改變。對所有的RP系統而言都是這樣的。任何特徵的表面頂端或是底端無法對齊成為一層時,在軟體中的切層算法會將尺寸整數化到最接近的層厚數。在最壞的情形下,一端的表面往下整數化而另一端向上,高度可能偏離一個層厚。對於典型的FDM參數,這可能會產生的誤差至少為0.127mm。
穩定性
尺寸的穩定性是FDM原型的關鍵優勢,如同SLS技術,時間與環境的曝曬都不會改變工件的尺寸或其他的特徵。一但原型從FDM系統分離,當它達到室內溫度後,尺寸是固定不變的。如果溫度度數變化,用SLA 或是PolyJet技術則不是這樣的情形。
圖7 大型工件的尺寸穩定
成本預估
機型:Stratasys FDM Maxum
材料費:(按每年用量100KG計算)
100kg*36%=36kg(套用省料加工辦法)
36kg*2400元/千克=86400元
噴嘴更換費:
每年需更換1次,兩個噴嘴,單價150美元,折合人民幣約1239元
150*8.26*2=2478元
基板費用:每年需20張,總計232美元,折合人民幣共1916元
綜合預估每年使用成本為90794元(人工費及電費未計)
EOS /3D SYSTEM
材料費:(按每年用量100KG計算)
100kg*1000元/千克=100000元
由於SLS是粉末燒結的成型原理,故無法套用省料加工技術。
而SLA需要一缸料(200KG以上)作為“底料”,使用過程中再添加新料。
100KG*2400元/KG=240000元,國產材料500-800元/KG,但材料性能與進口材料相比較差很多。
雷射器更換費用:
每個雷射器保用時間為5000小時,按每月25天,每天工作16小時計算
每年需更換一次,每次更換費用為20000美圓,折合人民幣計165400元
平均每年費用165400圓
氮氣消耗費用
氮氣消耗量2天/瓶,每瓶單價200圓
每天100圓成本,每年需30000圓(每月25天*12個月)
恆溫恆濕房間費用
建房費用:200000圓
維護費用:100圓/天
SLS綜合預估每年使用成本為331900圓(人工費及電費未計)
SLA綜合預估每年使用成本為431900圓(人工費及電費未計)
綜合評比:
~FDM通過軟體控制,可以採用省料加工技術,可降低64%材料消耗,並可提高2.5倍加工速度
~根據我廠提供的數據加工的樣件,精度為0.127mm,是各個廠家中最高的.
~綜合使用成本預估,FDM為82982元/年,使用成本較低
後處理輸出
許多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如,SLA需要從工件表面手動移除支撐結構,且工件表面需要一些手工打磨。這表示工件的精準性不再只是受到系統精度的作用。它現在是受到後處理技師的技術等級所控制。
對於塑型,裝配以及功能性原型,多數的使用者發現FDM工件的表面精度是可以接受的。那么,當結合了水溶性支撐以及易剝離支撐,表示FDM原型的精準性不會受到手工的改變。當然,如果需要翻矽膠模用或是噴漆用的表面精度,FDM工件將需要後處理,如同其它的技術一樣。既然這樣,工件後處理技師的技藝在可以做到的原型精度上扮演了一個關鍵的角色。
圖8 模型可烤漆 圖9 模型可以真空電鍍
表面完工精度
受到使用者與Stratasys公司雙方的公認,FDM技術最明顯的限制就是表面完工精度。由於是半熔融狀態塑膠擠製成型,表面完工精度比SLA與PolyJet還要粗糙,而與SLS不相上下。當由較小的線材寬度與較薄的層厚來改進表面完工精度時,仍然可以在頂端,底面,以及側牆看出經過擠壓噴嘴的等高線輪廓與建構層厚。表2所列的為Maxum與Titan的表面完工精度。為了改善表面完工精度,Maxum與Titan現在都提供0.127 mm層厚。
使用者發現工件的成型方向,可以滿足考慮表面完工精度需求。這些要求較高完工精度的表面通常以垂直方向成型。較不重要的表面通常以水平方向成型,就像是底端或是頂端的表面。如同其它技術,二次加工(後處理輸出)可以用來使之相同。然而,ABS與polycarbonate材料的硬度讓打磨耗費人力。使用者通常使用溶劑或用是粘結劑完成或是預備用打磨。商業上可用的這些介質包含有熔接,ABS快乾膠,Acetone 以及two-part epoxies。要符合足夠的精度,FDM技術與競爭對手的產品都可以提供翻矽膠模用或是噴漆用的表面。這關鍵的差異是要花費多少時間才能達到要求的結果。
Maxum Ra(μin) Titan Ra(μin)
頂面未處理表面已處理表面
550275 475150
側面未處理表面已處理表面
450200 425175
底面未處理表面已處理表面
550125 575100
表2:Maxum和Titan的表面精度資料。所有的測試零件均用層厚0.18mm所建構。
特徵定義
儘管高階的FDM系統可以生產較小的特徵,大多數FDM原型的最小特徵尺寸受限於兩倍線材寬度。沒有使用者的介入,FDM技術使用的”closed path”選項會限制最小特徵尺寸為兩倍擠壓成型噴組的寬度。對於一般噴嘴與建造參數而言,最小特徵尺寸範圍從0.4到 0.6 mm。儘管大於SLA與PolyJet的最小特徵尺寸,但是該範圍是與這些技術的可用最小特徵尺寸相同。
儘管SLA技術可以建造小到0.08 (Viper si2機種)或0.25 mm (所有機種),以及PolyJet技術可以建造小到0.04mm,幾乎很少原型會用到這些極小值的優勢來作最小的細節。考慮到材料屬性,通常發現SLA技術與PolyJet技術的原型常用最小特徵尺寸為0.5mm。FDM技術的最小特徵尺寸相等於或是優於SLS技術的0.6到 0.8 mm。由於材料屬性相似於注塑成型的ABS或是polycarbonate,FDM技術可以給予功能性特徵尺寸在0.4到 0.6 mm範圍中。
環境抵抗力
FDM原型提供的材料性質相似於熱塑性材料。這包含了環境的與化學的曝曬。對ABS材料而言,使用者可以實驗他們的原型在93度的溫度下以及包含石油,汽油以及甚至某些酸類等的化學媒介。一關鍵的考慮為水氣的曝曬,包括浸沒與濕氣。SLA技術與PolyJet技術使用的光敏樹脂對於潮濕水氣敏感且會受到傷害。暴曬在水中或是濕氣中不只會影響原型的機械屬性,也會影響尺寸精度。當光敏樹脂的原型吸收了水氣之後,他們將會開始軟化並且變的有點易於彎曲。而且,工件會有翹曲或是膨脹的傾向,這會嚴重影響尺寸的精度。FDM技術的原型,以及SLS技術的原型,都不受濕氣影響,所以他們可以保持原有的機械屬性以及尺寸精度。
機械加工
FDM原型可以進行銑床加工,鑽孔,研磨,車床加工等。為了補償表面精度不足並加強特徵細節,當有特殊的品質需求時,使用者通常會進行二次加工來提升原型的細節。
圖10 原型上可進行加工處理,如鎖螺絲
操作上的考慮
在考慮原型的物理屬性之後,注意力應該轉移至操作的參數上。下列領域可以影響到原型在預期套用上的使用。
工件尺寸
不像某些快速原型技術,廣告中FDM技術的建造範圍就是最大的工件尺寸。在家族系列產品中,FDM技術提供了廣泛的建造範圍。Maxum,最超大型,所提供的工件尺寸可達600 x 500 x 600 mm。這樣的建造範圍與最大型的SLA系統相同。Titan,則提供最大的工件尺寸為406 x 355 x 406 mm。這樣的建造範圍稍微大於SLS Sinterstations系統。Prodigy Plus,辦公室桌上型,擁有的建造範圍為203 x 203 x 305 mm,該尺寸稍微大於PolyJet系統以及最小型的SLA系統。當使用具競爭性的技術時,快速原型超過建造範圍的部分通常分段建構然後作粘結。使用商業上可用ABS快乾膠,FDM工件的粘和強度可以滿足功能性測試的套用。此外,FDM工件可以使用超音波熔接,這種選項無法使用在SLA以及PolyJet,因為他們不是使用熱塑性材料。
支撐結構
在FDM技術中,需要支撐結構來形成基底以製作工件並支撐任何超過懸掛的特徵。在工件的接口,支撐材料的堅固堆層已經放下。在這堅固堆層下,線材為0.5mm且在間隔為3.8mm下沉積。FDM技術提供兩種類型的支撐--易於剝離支撐結構(BASS)以及水溶性支撐結構(WaterWorks)。BASS支撐是由手工將支撐從工件表面剝離以移除。當他們不想損壞工件表面,考慮的是必須要容易進入與接近細小特徵。
水溶性支撐(WaterWorks)是使用水溶性材料,可分解於鹼性水溶劑的解決方案。不像是易於剝離支撐(BASS),該支撐可以任意坐落於工件深處地嵌壁式的區域,或是接觸於細小特徵,因為機械式的移除方式是可以不加考慮的。此外,水溶性支撐可以保護細小特徵。在其它的快速原型技術中,他們要如何移除支撐而不造成特徵損壞,是一項極大挑戰。
一體成型的裝配件
隨著水溶性支撐的出現,FDM技術提供了一項獨特的解決方案--建構可運轉的一體成型裝配件。因為水溶性支撐可以進行分解,一個多件的裝配件可以在一次機械運轉中建構完成。當多件的裝配件可以在SLS或是PolyJet中實行時,要小心地考慮到殘留在原件之間的材料。舉例來說,如圖3所示的FDM技術的腦型齒輪組,可以不用手工勞動就能完成並用一些時間就能將水溶性支撐進行分解。用SLS技術製作這樣相同的工件,可能需要一個小時以上的手工勞動來清除齒輪與軸柄之件的粉末。有了水溶性支撐,整個裝配件的CAD資料可以當作一個工件處理。同樣地,也不需要手工勞動或是時間進行工件的裝配。
圖11 腦型齒輪利用水溶性支撐以一體成型的方式建構而不用考慮手動移除支撐
運行時間
運行時間在FDM技術製程中明顯地取決於不同的因素。這樣提供所有工件在所有的製作時間比較表是不可能的。然而,一般來說,FDM技術的運行時間比起SLA技術與SLS技術是需要略久一些的時間,而跟PolyJet技術比較起來則相似。表3表示運行時間的是針對於圖1所作的精準性測試工件進行紀錄。所有工件採用0.25 mm層厚所建構。
FDM系統 時數
Maxum 2.2
Titan 2.7
Prodigy Plus 4.2
表3表示運行時間
FDM技術的運行時間是由工件的材料容積以及支撐結構來定義。不像SLA,SLS 或是 PolyJet,Z軸高度都不影響時間。工件的材料總額與材料沉積率都是決定FDM技術運行時間的重要因素。材料沉積率是噴嘴尺寸,線材寬度以及層厚的作用。較小的層厚與噴嘴將會增進特徵細節與表面完工精度,而建造時間會增加。額外的考慮是FDM技術的運行時間不因材料不同而有變化。而對於SLA技術與SLS技術,運行時間是取決於材料種類並且會有20%以上的變化。為了減少運行時間,FDM系統提供了”稀疏填充”(輕量化技術)的選項。這種選項類型會建立實體狀的周圍與骨架狀的內部。線材的間隔為3.8 mm且在每一層會交替線材的方向,所以材料的總額與建構時間都會減少。
既然FDM技術的運行時間都不受Z軸高度影響,除了任何額外支撐材料之外,工件的成型方向可以為了最佳的品質而不造成時間損失。在其它每一項技術之中,通常時間與品質兩者不可兼得,當以Z軸為最低的成型方向時可以減少建構時間,但是特徵的品質較差。
還有需要考慮的是FDM技術不需要顯著的時間去暖機到運行溫度或是去讓完成的工件冷卻。在SLS或SLA技術製程中,系統每運行一次的預先暖機與輸出冷卻都需要增加2到4個小時。並且在SLA技術製程中,製作出來的原形件需要用酒精或丙酮清洗掉表面的液體樹脂,然後放到紫外光固化箱中進行二次固化。在SLS技術製程中,製作出來的原形件需要“清粉”、浸蠟處理。以上這些費時、費力的後處理過程FDM都不需要。
設備使用環境
快速成型設備最好能放置於電腦設計室內以便於工作,要求設備無煙塵、無震動和噪音並且材料安全無毒。而光敏樹脂(SLA)液態原材料有毒,需特別小心處理,並且需配置抽風系統,以抽除建模過程中產生之毒煙;而粉末材料(SLS)需配備抽風系統、吸塵設備、防塵箱及氮氣發生系統;紙張(LOM)也需要配置抽風系統以抽除建模過程中產生之煙霧;只有美國Stratasys公司的FDM快速成型機只需要在一般辦公室環境下操作。
套用範圍
概念模型
許多FDM技術的使用者把該技術當作設計的周邊。就本身而言,為了在製程早期就能審核與確認設計概念,該技術已經變得另一種與CAD系統連結並驅動的工具。由於這樣的套用,FDM技術都是作為概念模型工具以清楚地傳達日益精緻與複雜的設計。當FDM技術無法從概念模型中提供預期的速度,它提供了結合概念模型與視覺套用的優勢。這些強處包含精準性,材料屬性,色彩以及免用手動工件後處理。儘管材料強度與硬度並非概念模型的關鍵,但是它通常值得關注,因為脆弱的模型通常在最不適當的時機破裂。FDM技術的模型也套用於銷售與行銷,包含內部與外部。對內,FDM技術的原型是用來給銷售團隊,管理階層以及其它員工在開始製造之前看一眼產品長相。對外,原型是用來在產品作商品化之前引起預期客戶的興奮與興趣。
塑型,裝配以及功能性模型
對許多技術而言,快速原型的套用在塑型,裝配以及功能性分析方面時需要作某些方面的犧牲。儘管SLA技術與PolyJet技術提供較好的細節,精準度與表面加工精度,但是他們無法提供必要的強度與硬度。同樣地,SLS技術提供強度而犧牲精準性與細節。對於FDM技術,使用ABS與 polycarbonate材料,提供具有細節,精準性與可加工性的堅固原型,以進行注塑成型塑膠工件的功能性分析。儘管未經後處理的工件也許沒有生產成品一般的表面精度,但是仍有許多不受此妨礙的套用。再者,表面加工精度相對於其它因素例如尺寸穩定性,耐熱性與抗化學性而言,通常是比較次要的。
圖12 FDM原型組裝測試
修整樣品
快速原型可以用來作為建立模具的樣品。不像其它快速原型技術,FDM技術可以成功地用來製作樣品。然而,必須考慮表面加工精度與工件後處理到可以作為母模所需時間。脫蠟鑄造是樣品的額外用途,樣品必須能在他們自己所建立陶砂殼模之中燃燒消耗掉。FDM技術製程所建構的蠟模與ABS模都被證實適合套用在陶砂殼模之中燃燒消耗的標準鑄造流程。
快速製造(少量多樣)
快速原型激起對於短期製造的興趣,對於少到只有一個單位的訂單都很合算。這樣的套用需要工件在許多領域都符合功能性規格。在FDM技術的精準性與材料屬性都是可用之際,它是少數致力於該套用的技術之一。當尚未經過最後加工修飾的FDM工件可能受限使用於可視化,裝飾的套用,但不受妨礙它去作為內部組件,或是那些不需要藝術吸引力的用途。對於快速製造的套用,運行時間將會成為一項重要的考慮。然而,就像幾位使用者的證明,為數不多的工件運行時間是明顯地少於生產模具與成品所需要的總時間。

金屬製品

行業包

括結構性金屬製品製造、金屬工具製造、貨櫃及金屬包裝容器製造、不鏽鋼及類似日用金屬製品製造等。隨著社會的進步和科技的發展,金屬製品在工業、農業以及人們的生活各個領域的運用越來越廣泛,也給社會創造越來越大的價值。
金屬製品行業在發展過程中也遇到一些困難,例如技術單一,技術水平偏低,缺乏先進的設備,人才短缺等,制約了金屬製品行業的發展。為此,可以採取提高企業技術水平,引進先進技術設備,培養適用人才等提高中國金屬製品業的發展。
2009年金屬製品行業的產品將越來越趨向於多元化,業界的技術水平越來越高,產品質量會穩步提高,競爭與市場將進一步合理化。加上國家對行業的進一步規範,以及相關行業優惠政策的實施,2009-2012年,金屬製品行業將有巨大的發展空間。

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