1引言

快速成型技術(shù)(rapid prototyping manufacturing,RPM)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。其可以直接根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型，大大縮短了加工周期并降低了產(chǎn)品研制的成本，對(duì)促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有積極的推動(dòng)作用。

RPM技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，設(shè)備和材料兩方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但總體來(lái)講該技術(shù)目前還存在一些問(wèn)題，例如設(shè)備昂貴、材料選擇還有局限性等，都阻礙了該技術(shù)及其系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的推廣和使用。

目前，陶瓷材料的直接成型已經(jīng)成為快速成型技術(shù)的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向之一。可用于陶瓷零件的快速成型機(jī)主要有:疊層成型機(jī)、光敏固化成型機(jī)、激光燒結(jié)成型機(jī)、熔融堆積成型機(jī)、噴墨打印成型機(jī)。激光成型設(shè)備造價(jià)偏高，而噴墨打印和熔融堆積成型設(shè)備對(duì)陶瓷漿料的流動(dòng)性和制件質(zhì)量具有雙重要求，不易控制。王秀峰等提出了層合速凝成型陶瓷零件的技術(shù)。以該技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合層合實(shí)體成型和熔融堆積成型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新的陶瓷零件快速成型設(shè)備，滿足陶瓷漿料和石蠟的特性，可達(dá)到成本低廉、材料來(lái)源廣泛、制件性能較好的目的。

2 組成與工作原理

本機(jī)由機(jī)架1、工作臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)裝置2、鋪料臺(tái)升降裝置3、鋪料系統(tǒng)4、刻料系統(tǒng)5和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作前，鋪料平臺(tái)上升到一定高度，在盛料倉(cāng)中分別盛入陶瓷漿料和石蠟，蓋好料斗外殼上端開口，以防止石蠟揮發(fā)。在有凸形邊緣的鋪料臺(tái)里預(yù)鋪一層石蠟，待凝固后鋪料系統(tǒng)開始工作。首先鋪料系統(tǒng)沿x方向鋪一層石蠟，此時(shí)陶瓷漿料倉(cāng)下料口閉合，石蠟倉(cāng)下料口打開。當(dāng)料斗至另一端時(shí)，接近開關(guān)發(fā)出信號(hào)，控制料斗停止運(yùn)動(dòng)。接著料斗返回起始位置，返回過(guò)程中料斗下料口全部閉合，待接近起始位置時(shí)另一接近開關(guān)發(fā)出信號(hào)，料斗停止。由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制刻刀在石蠟板上刻出零件截面形狀，由吹風(fēng)裝置吹走石蠟屑，清潔鏤空部分。刻料時(shí)由計(jì)算機(jī)按照對(duì)實(shí)體模型分層編制出的程序控制鋪料平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)和刻刀的運(yùn)動(dòng)?？掏旰笥捎?jì)算機(jī)控制刻刀復(fù)位，發(fā)出鋪陶瓷漿料的指令，步驟與鋪石蠟步驟相同，此時(shí)陶瓷漿料倉(cāng)下料口打開，石蠟倉(cāng)下料口關(guān)閉。在鋪料過(guò)程中，刮板起到刮平層面和使陶瓷漿料充分填平的作用。在刮平過(guò)程中，須控制刮板底的高度始終保持在所鋪石蠟層上表面以下0.1-0.5mm，以充分刮去石蠟表層多余的陶瓷漿料，以避免形成陶瓷夾層影響制件的質(zhì)量。刮平陶瓷漿料層后，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使鋪料平臺(tái)下降0.1-2 mm,重復(fù)上述操作步驟，多次疊層之后形成實(shí)體。最后取出實(shí)體，進(jìn)行排蠟和燒結(jié)，即可得到陶瓷零件。

3 主要結(jié)構(gòu)說(shuō)明

3.1 工作臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)裝置

工作臺(tái)水平移動(dòng)裝置2由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，臺(tái)面上安裝鋪料系統(tǒng)。

3.2 鋪料系統(tǒng)

鋪料系統(tǒng)在工作臺(tái)之上，由鋪料臺(tái)6、料斗7、刮平裝置8,加熱裝置9及攪拌裝置(如圖2、圖3)組成。鋪料臺(tái)6由滾珠絲杠11和位于平臺(tái)四角的四根導(dǎo)軌12支撐，由步進(jìn)電機(jī)10驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)豎直方向的運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)裝置2由控制Y向運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)。為了避免底層石蠟在刮料時(shí)由于受刮板切向力作用而與鋪料臺(tái)面發(fā)生滑移，將鋪料臺(tái)邊緣設(shè)計(jì)成凸形13，鋪料前先將鋪料臺(tái)里鋪滿石蠟，待凝固后再開始鋪第一層石蠟，利用石蠟自身結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn)解決這一問(wèn)題。為了充分利用豎直方向的空間，使該裝置工作時(shí)在豎直方向可以適合各種高度的主軸而不與刻料系統(tǒng)發(fā)生碰撞，將驅(qū)動(dòng)鋪料臺(tái)Y向運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)和絲杠偏置安裝。為了使刮料時(shí)漿料不產(chǎn)生堆積，將鋪料平臺(tái)有擋板的一側(cè)鏤空。如圖1所示。鋪料系統(tǒng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)14帶動(dòng)絲杠15導(dǎo)軌16和17實(shí)現(xiàn)x向運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌兩端分別裝有接近開關(guān)(圖1中18)，控制料斗的最大行程。

1 攪拌電機(jī) 2 攪拌主動(dòng)齒輪

3.2.1 料斗

料斗由料斗外殼、盛料倉(cāng)、刮平裝置和加熱裝置組成如圖2所示。攪拌裝置由電機(jī)1帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，使之與圖3中的齒輪1嚙合，帶動(dòng)攪拌輥2轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攪拌運(yùn)動(dòng)，使?jié){料保持均勻，不發(fā)生沉淀。

1 攪拌從動(dòng)齒輪 2攪拌輥 3 下料口 4 外延掛鉤

如圖3所示。盛料倉(cāng)的下料口3為活頁(yè)式，由電磁繼電器控制其開合。鋪料時(shí)，相應(yīng)的盛料倉(cāng)下料口打開，另一盛料倉(cāng)下料口閉合。盛料倉(cāng)通過(guò)兩端外延掛鉤4卡掛在料斗外殼壁上的凹槽處。石蠟倉(cāng)結(jié)構(gòu)與陶瓷漿料倉(cāng)相同。

3.2.2 料斗外殼

料斗外殼兩側(cè)裝有刮平裝置(圖1中8)，在每次鋪料完成后刮平鋪料層，去除余料并填實(shí)鏤空部分。為保證漿料的流動(dòng)性，在料斗外殼裝有加熱板(圖1中9)持續(xù)加熱，使料斗及刮板的溫度保持在石蠟的熔融溫度，可使刮板在刮料過(guò)程中盡可能少發(fā)生粘連帶料現(xiàn)象，從而保證刮板的清潔和鋪料層的平整。

3.3 刻料系統(tǒng)

刻料系統(tǒng)由主軸、刻刀和刻刀水平及豎直運(yùn)動(dòng)裝置構(gòu)成。如圖1所示?？痰锻ㄟ^(guò)主軸的旋轉(zhuǎn)完成刻料過(guò)程，刻刀的水平運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)19帶動(dòng)機(jī)身內(nèi)的滾珠絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，豎直運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)20帶動(dòng)滾珠絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，彈簧21起輔助限位作用。

3.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

快速成型系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)處理和成型執(zhí)行兩大部分。數(shù)據(jù)處理部分完成由三維CAD模型加工軌跡的離散過(guò)程，由高性能計(jì)算機(jī)處理。成型執(zhí)行部分根據(jù)離散化后的信息加工過(guò)程的執(zhí)行和控制，由數(shù)控RPM設(shè)備來(lái)完成。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)由CAD模型生成符合快速成型工藝特色的CNC信息;(2)將獲得的CNC信息傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，觸發(fā)信號(hào)由下層機(jī)提供;(3)對(duì)成型情況進(jìn)行監(jiān)控并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)的反饋，必要時(shí)對(duì)快速成型設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行干涉;(4)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供真實(shí)感的零件三維CAD模型顯示和CNC軌跡信息實(shí)時(shí)顯示;(5)提供各種可選的加工參數(shù)，滿足不同的材料和加工工藝的要求。

成型的執(zhí)行為電氣運(yùn)動(dòng)控制，它一方面按照預(yù)定的順序與主機(jī)相互觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)CNC信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的接受，控制RPM成型運(yùn)動(dòng)，一方面響應(yīng)主機(jī)傳輸?shù)目刂泼?，?duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。

4 整機(jī)的特點(diǎn)

(1) 結(jié)合了熔融堆積成型和層合實(shí)體成型設(shè)備的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上作以改進(jìn)，針對(duì)目前快速成型設(shè)備昂貴、成本較高的現(xiàn)狀，該設(shè)備及成型工藝成本低廉，易于普及;
(2) 針對(duì)石蠟和陶瓷材料的特性，在料斗中加人了加熱及攪拌裝置，專用于陶瓷零件的快速成型;
(3) 成型精度較高，成型件可獲得良好的質(zhì)量和性能;
(4) 構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于維護(hù)和修理。

5 技術(shù)性能指標(biāo)及適用范圍

5.1 技術(shù)性能指標(biāo)

(1) 料斗鋪料時(shí)的水平進(jìn)給速度為4-6mm/s;
(2) 每鋪完一層料，鋪料臺(tái)下降的高度為0.1-2mm/s;
(3) 石蠟層的凝固時(shí)間為30s;
(4) 加熱板的溫度控制在95℃一100℃恒溫。

5.2 適用范圍

該裝置適用于以陶瓷漿料為成型材料，石蠟為支撐材料及粘結(jié)劑的快速成型制造，也可用于以其他漿料及熱粘結(jié)劑為原料的快速成型工藝。

6 結(jié)語(yǔ)

陶瓷零件快速成型技術(shù)目前尚處于起步階段，適用于陶瓷零件快速成型的專用設(shè)備并不多見。本設(shè)計(jì)提出了一種新的陶瓷零件快速成型設(shè)備，可以滿足設(shè)備及工藝成本低廉，制件質(zhì)量較好、強(qiáng)度較高的性能要求，是陶瓷零件快速制造領(lǐng)域設(shè)備研究的一個(gè)新思路，并具有較好的應(yīng)用及推廣價(jià)值。