材料在添加法生產(chǎn)中的作用

隨著新材料的發(fā)展，原型快速成型（RP）技術(shù)的功能正在不斷地擴大。

立體平版印刷技術(shù)（SL）是最古老的、而又是應(yīng)用最廣泛的原型快速成型（RP）技術(shù)之一。目前，可選用的商用SL樹脂達40多種，而立體平版印刷技術(shù)也確實是一種通用的技術(shù)，可以為任何RP技術(shù)中的各種大小和尺寸的零件提供最高的精度和最好的表面質(zhì)量。

對于任何RP技術(shù)而言，立體平版印刷技術(shù)的多功能性取決于設(shè)備的能力和所提供的材料。一般來說，所提供的材料范圍越廣，該技術(shù)的應(yīng)用范圍也就越廣。

在過去的幾年中，由多家供貨商開發(fā)的SL樹脂，其品種和范圍在不斷地增加，包括具有不同物理性能的材料，它們類似于熱工程塑料，例如像聚丙烯、ABS材料和聚碳酸酯。這些材料讓SL的應(yīng)用范圍不斷擴大，從最初創(chuàng)建概念化模型和母模，發(fā)展到創(chuàng)建功能性或配合/組裝式模型，甚至代替了低批量生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域中使用的鑄造尿烷材料或注塑模壓件。

此外，還開發(fā)了高度先進的合成樹脂，它使SL技術(shù)的發(fā)展進入到了快速工具成型領(lǐng)域，為使用加工技術(shù)和立體平版印刷技術(shù)操作的機加工車間節(jié)約了大量的時間和費用。

巨大突破

將立體平版印刷技術(shù)與選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)和熔融沉積制模（FDM）法進行比較。顯然，采用SL技術(shù)可以生產(chǎn)出表面質(zhì)量最好和精度最高的零件。然而，對于最終的使用而言，它要求產(chǎn)品具有高度的耐用性。直到最近，SLS技術(shù)和FDM技術(shù)才顯示出比SL技術(shù)優(yōu)越的一面，因為前兩種技術(shù)應(yīng)用了工程塑料，它們的韌性超過了SL樹脂。

圖1  一種耐用性極高的SL樹脂材料，其生產(chǎn)的零件細節(jié)復(fù)雜，精度極高

然而，現(xiàn)在隨著高耐用性SL樹脂材料的引進，SL與其他兩種方法之間的差別已經(jīng)做了重新調(diào)整。這些高耐用性的樹脂材料集中了各方面的特性。它們的物理特性接近于通過SLS或FDM工藝（見圖1）生產(chǎn)的其他工程塑料。

圖2  SL具有高精度和類似于燒結(jié)狀態(tài)的耐用特性

由于SL所具有的精度和燒結(jié)狀的耐用特性，凡是在傳統(tǒng)上使用鑄造尿烷材料的應(yīng)用領(lǐng)域，或者在某些情況下使用SLS或FDM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，也將這些樹脂材料作為它們的應(yīng)用目標。采用SL與耐用性樹脂相結(jié)合的優(yōu)點是：設(shè)計工程師可以獲得一個較快的周轉(zhuǎn)時間來生產(chǎn)耐用性零件，這種零件與SLS或FDM生產(chǎn)技術(shù)相比具有更高的精度和表面質(zhì)量（見圖2）。

合成樹脂擴大SL功能

含有高填充合成物材料的專業(yè)化SL樹脂正在不斷地發(fā)展，它的發(fā)展擴大了SL的功能，特別是需要高剛性、高精度和熱偏差溫度等重要特性的應(yīng)用領(lǐng)域。由于其模數(shù)特性可以達到11 000MPa的水平，其線性收縮率低于0.001in（1in=25.4mm），因此這些高填充材料為快速模具成型打開了大門。

新一代納米復(fù)合材料，含有大量的非結(jié)晶體納米填充顆粒，其彎曲模數(shù)達10 500MPa，熱偏差溫度為260°C（在0.46 MPa壓力下，熱態(tài)后固化處理以后），線性收縮率<0.001”。與其他合成材料相比，它們具有更好的側(cè)壁質(zhì)量。

使用新一代的材料和SL工藝就可以生產(chǎn)出具有實際功能的塑料零件，以便將它們在產(chǎn)品設(shè)計階段過程中進行試驗。采用這些納米復(fù)合樹脂材料制成的模具不是生產(chǎn)用模具，但它們能夠使設(shè)計工程師很快地獲得具有很好成本效益的幾百件零件，有時候甚至是幾千件零件。其周轉(zhuǎn)時間很快，在大部分情況下，其成本費用低于采用金屬加工的模具，特別是一些模具的插件，需要大量的EDM加工處理。

下面的塑料就是采用這些樹脂模具制成模型：這些塑料包括聚乙烯、聚丙烯、熱塑彈性體材料、高沖擊性聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯和玻璃纖維填充尼龍。一般來說，塑料的侵蝕性越大，其沖擊數(shù)越少。

一般來說，這些模具對生產(chǎn)4in以下的塑料零件是非常有用的。從快速模具成型技術(shù)中獲益的行業(yè)包括消費品生產(chǎn)行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、電子元件和汽車生產(chǎn)行業(yè)。

除了尺寸方面的指導(dǎo)原則以外，還包括附加的設(shè)計指導(dǎo)原則，只要遵循這些指導(dǎo)原則，就可以保證達到理想的零件數(shù)量，而且可以使復(fù)合模具的損毀率降到最低。

突出的優(yōu)點

通過立體平版印刷技術(shù)的模具快速成型比機加工技術(shù)具有更多的優(yōu)點。一般來說，其半徑處的精度優(yōu)于由CNC數(shù)控機床加工的半徑精度。形成較尖圓角的可能性是存在的，但不需要進行二次加工處理。下面的塑料件是由ABS材料模壓成型的。它能承受1700次的打擊，之后塑料件上的字母等細節(jié)才開始逐漸消退（見圖3）。

圖3  由納米復(fù)合材料制成的模具，其內(nèi)部含有大量的非結(jié)晶體納米填充顆粒，因此由其生產(chǎn)的零件細節(jié)具有很高的分辨率

帶有活動鉸鏈的聚丙烯瓶蓋和模具也屬于塑料零件的生產(chǎn)實例，這些零件很容易采用這類樹脂成型的快速模具生產(chǎn)（見圖4）。模具本身采用直拉式設(shè)計，不需要機加工處理。

圖4  立體平版印刷技術(shù)可能會造成較尖的圓角，但不需要二次加工處理

在這個實例中，采用立體平版印刷技術(shù)的另一優(yōu)點是可以同時制造多個模具。有些SL系統(tǒng)的平臺尺寸范圍為10in×（10~29in）×25in，可用于其他SLA系統(tǒng)。大部分平臺可以裝滿準備同時制造的各種零件；一切通過計算機系統(tǒng)控制，它可使激光直接精確地投射到整個平臺的表面上。這就意味著型芯和型腔可以同時制造，而且還包括手工安裝的型芯。

納米復(fù)合樹脂的局限性

由于這些樹脂的特性類似于陶瓷材料，其散熱速度不如金屬模具那樣迅速，與鋼制或鋁制模具相比，需要較長的散熱周期。這是因為復(fù)合樹脂的導(dǎo)熱率要比鋼材或鋁材的導(dǎo)熱率低得多，所以散熱不那么容易。

這些由納米復(fù)合樹脂材料快速成型的模具，其所需的散熱周期一般為60~120s。冷卻所需的時間取決于零件的大小、幾何形狀、壁厚和模壓成形的塑料類型。這種模具成型方法不適合于大量生產(chǎn)；因此散熱周期并不像項目整體的周轉(zhuǎn)那么重要。采用這種方法能夠快速地生產(chǎn)真正的注塑成型零件，并具有良好的成本效益，但生產(chǎn)的零件數(shù)量范圍為1~100件，在大部分情況下，可以達到1000件以上。

由于所能提供的先進材料越來越多，因此立體平版印刷技術(shù)成為一項越來越有用的原型快速成型技術(shù)。由于SL零件正像任何RP技術(shù)那樣可以永遠用于概念化模型，因此SL技術(shù)的價值和重要性在零件制造中體現(xiàn)出來，這些零件可替代鑄造尿烷，適合于功能性模型，甚至適合于直接生產(chǎn)。采用納米復(fù)合樹脂可提高模具制造車間的生產(chǎn)效率，使其可以與海外的快速模具在成型、周轉(zhuǎn)時間和質(zhì)量方面進行競爭。由于SL樹脂供貨商正在不斷地擴大他們材料的技術(shù)能力，因此SL技術(shù)也將不斷地向新產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展。

（信息來源：機械專家網(wǎng)）