第五章--快速成形材料选择

材料是快速成形技术的核心，一种新材料的出现往往会使快速成形工艺及其设备结构、成形件品质和成形效益发生巨大的进步。1988年，当第一种商品化的快速成形机问世时。采用的成形材料为液态光敏聚合物，针对这种材料，分层叠加成形的制作方法是激光选择性固化，因此有了SLA型快速成形机，能得到看起来像塑料的成形件。然而，随着时间的推移和技术的发展，此后出现了纸、蜡、塑料丝、塑料粉、陶瓷复合粉和金属复合粉等多种成形材料，以及与此相应的一批LOM、FDM、SLS和TDP型快速成形工艺和快速成形机，可以得到近似ABS塑料、陶瓷、金属的高性能样品或模具，成形效率也有较明显的提高。5.1概述第五章快速成形采用的材料快速成形技术中采用的材料可分为:直接成形用材料间接复制用材料直接成形用的材料有：聚合物、纸、金属、砂和陶瓷等，它随采用的快速成形机不同而有所差别。5.2直接成形用材料对直接成形用材料的基本要求是：良好的机械性能(强度、耐温性、耐磨性相抛光性等)，小吸水率，小收缩率，高稳定性、以及工件与废料易分离等。5.2.1反应型聚合物SLA型快速成形机采用的液态光敏聚合物，如丙烯酸树脂和环氧树脂，都属于反应型聚台物。它是一种热固性材料，在输入能量(如紫外激光)的作用下，能迅速固化。上述液态光敏聚合物的价格为每千克143—190美元。SLA型快速成形机也采用—些树脂(表5.2)直接制作模具。这些材料在固化后有较高的硬度、耐磨性和制件精度。其价格较低。此外，SLA型快速成形机还采用一些合成橡胶树脂(表5.3)作原材料。其中的SCcR31在成形时有较小的翘曲变形。5.2.2非反应型聚合物SLS、FDM和TDP型快速成形机采用非反应型聚合物作原材料(表5.4)，它们被加热至熔点后能融合，冷却后迅速固化从二次世界大战起，开始利用上述特性来使粉末状非反应型聚合材料熔化并再固化成复杂的形状。Mode1MakerTDP型快速成形机采用非反应型聚合物—树脂(聚氨脂、氨基树脂、环氧树脂和天然衍生聚合物)作原材料，其熔点为50～250℃，在熔化状态下可自粘，有较低的收缩率。为了进一步改善它们的性能，还可交其中加入抗氧剂、增韧剂、磁性粒子、颜料、增光增白剂和其它添加剂。LOM型快速成形机采用经过处理的纸作原材料。这种纸由纸质基底和涂覆的粘结剂、改性添加剂组成，它的成本较低，基底在成形(即切割)过程中始终为固态，没有状态变化，因此翘曲变形小。主要有：涂有热熔胶的纸基材料、塑料薄膜、金属箔材、无机纤维膜或陶瓷带材等。最适合于中、大型零件的成形。5.2.3纸在KINERGY公司生产的纸材中(表5.5)，采用了熔化温度较高的粘结剂和持殊的改性添加剂。所以，用这种材料成形的制件坚如硬木(制件水平面上的硬度为HRRl8，垂直面上的硬度为HRE4100)，表而光滑，有的材料能在200℃下工作。制件的最小壁厚可达0.3～0.5mm，成形过程中只有很小的翘曲变形，即使间断地进行成形也不会出现不粘结的裂缝，成形后工件与废料易分离，经表面涂覆处理后不吸水，有良好的稳定性。KINERGY公司已经在新加坡和中国分别建立了两个快速成形用纸生产基地，能及时满足用户的需要，平均每千克的纸价为8美元。由华中科技大学开发的LOM纸基材料黏结可靠，强度高，材料剥离容易，制件尺寸稳定，价格低，可制作厚度小于1mm薄壁复杂制件。后处理后的制件坚如硬木，表而光滑。应用：可代替铸造木模、用于浇注低熔点合金、铸造腊货作为消失的模具等。5.2.4金属快速成形技术用以以三种方法制作金属件：1)转换(transfer)法：它用快速成形件作母模，再经铸造或金属喷镀得到金属件。2)非直接(indrect)法：又称为低密度基体法。它先用快速成形机制作较低密度约金属件，然后再经后烧结、渗透金属使其成为高密度金属件。3)直接(drect)法：用快速成形机直接制作高密度金属件，而不需二次处理，SLS型快速成形机用非直接法制作金属件时，采用的原材料是包裹热塑性粘结剂的金属粉。在SLS过程中，激光选择性地熔合粘结剂，从而使金属粉结合在一起。得到半成品后，须将其置于加热炉中进行后处理，即烧除其中的粘结剂，烧结金属粉。沟成褐色件，它虽已成形但内部结构疏松，必须再置于加热炉中，在它的间隙中渗入第二种金属(如铜)，以便最终获得高密度的金属件。EOS公司生产的快速成形机可采用金属粉(牌号为50—V1、50—V2和100—V3等)选择性烧结法，直接制作金属件，而不必进行后续烧结相渗铜，只需在其表面再涂覆一层高温环氧树脂就可用作注塑模、压铸模。TDP型快速成形机可采用纯金属粉作原材料。在TDP过程中，首先用喷头向铺在工作台面上的一层金属粉选择性地喷洒粘结剂，使相应部分的金属粉粘结在一起、构成较低密度(50％)的半成品。然后，将此半成品置干加热炉中，进行与上述SLS工件相同的后处理，即由除粘结剂、烧结金属粉和渗入第二种金属。SLS型快速成形机可以用包裹粘结剂的耐火砂作原材料直接制作铸造用砂型。进行SLS过程时、CO2激光器产生的热量选择性地熔化粘结剂，从而粘结相应部位的耐火砂，构成砂型。5.2.5砂、陶瓷SLS型快速成形机也可用包裹粘结剂的陶瓷粉作原材料，由CO2激光束产生的热量选择性地熔化粘结剂，从而粘结相应部位的陶瓷粉并初步形成，然后将成形件适于加热炉中，经过烧结得到陶瓷工件。TDP型快速成形机可采用纯陶瓷粉作原材料。在TDP过程中，用喷头向铺在工作台面上的一层陶瓷粉，选择性地喷洒粘结剂，使相应部分的陶瓷粉粘结在一起、构成半成品。然后，将此半成品置于加热炉中，持其烧结成铸造用陶瓷型壳。LOM型快速成形机用的陶瓷带也正在开发之中。目前研制的陶瓷带有两种：一种称为整体陶瓷带，另一种称为陶瓷复合带。其中，整体陶瓷带由碳化硅粉、碳和石墨构成，用标准刮浆带浇注工艺制作，厚度为250μm。在LOM型快速成形帆上成形时，层与层之间还需添加一种溶剂，以便提高粘结效果。从LOM型快速成形机上得到半成品后，须进行后处理，即将半成品置于粉床中进行准均质加压，使层与层之间完全熔合。带上的粘结剂部分在粉床中烧除，部分随后在烘箱中烧除。最后，用高温真空炉使工件进行反应粘合。陶瓷复合带的预浸料坯由单向SIC纤维丝(基底)和糠醛—酚醛热固性树脂制成。其中树脂用作成形时的粘结剂，以及随后反应粘合过程中碳的来源。将这种预浸料坯层粘结到整体陶瓷带上便构成陶瓷复合带。复合陶瓷带由Si—C粉、康醛—酚醛等组成，也有用玻璃纤维和聚酯、聚酰胺等组成。其中有机部分作为成形加工中的黏合剂。加工完成后，复合陶瓷带需在惰性气体的保护下，通过真空烧结等工序来脱除其中的有机部分，并提高陶瓷型的强度和密度。缺点是：复合陶瓷带需要特殊加工，价格昂贵，后处理的工艺复杂，周期长，精度难以保证，应用不广。用陶瓷带成形工件的过程5．3间接复制用材料间接复制用材料：将快速成形机制作的工件当母模，用硅橡胶、金属基或陶瓷基合成材料、反应成形塑料和石膏等，可以方便地复制模具、塑料件和金属件。这些材料称作间接复制用材料。硅橡胶有很好的弹性和复印性能，用它来复制模具时，可不考虑拔模斜度，基本不会影响尺寸精度。其中，硅橡胶又可分为室温硫化硅橡胶（RTV），和高温硫化硅橡胶(HTV)两种。室温硫化硅橡胶一般为非透明体、也有透明体。5.3.1硅橡胶例如，RTV585是一种室温硫化非透明硅橡胶，它在25℃下加入催化剂、经24小时后初步固化成弹性体，4天后的性能如表5.6所示。RTV141是一种室温硫化透明硅橡胶，它在25℃下加入固化剂，经24～48小时后初步固化成弹性体。如果将其加热至150℃，1小时就能固化，固化后的性能如表5.7所示。这种材料有很好的切割性能，用薄刀片就可容易地咯其切开，并且切面间非常贴合。因此，用它来复制模具时，可以先不分上、下模，整体烧注出软模后，再沿预定分模面将其切开，取出母模，得到上、下两个软模。TEKSIL高温硫化硅橡狡，其硫化温度为170℃，它比室温硫化硅橡胶有更好的性能。其硬度为HSA55～75，抗压强度可达12.4～62.1MPa，工作温度可达贩0～500℃。用这种材料制成的锌合金离心铸造模的寿命可达200～500件，材料的价格为每千克16美元。普通室温硫化硅橡胶的价格为每千克32美元(中国产的低于100元人民币)。用这种材料制作的模具可以浇注聚氨脂，构成塑料零件，其模具寿命可达20件以上。由于浇注普通硅橡胶时，会产生较多的气泡，从而影响成形品质。为此，常常采用如图5.2所示的真空浇注法：1)将硅橡胶和固化剂置于真空箱中，使其脱气(图a)；2)脱气后，在真空箱中混合硅橡胶和固化剂(图b)；3)在真空箱中，将混合后的硅橡胶注入母模(图(c)；4)使已烧注、尚未完全固化的硅橡胶模在真空箱中脱气(图d)；5)待硅橡胶模初步固化后，移去母模，再将硅橡胶模量于烘箱，使其完全固化。特点：上述方法能得到无气孔的硅橡胶模。但是需要配备真空箱，而且，大部分的操作都必须在真空箱中进行，比较麻烦，待别是制作大型硅橡胶模时，尤其不方便。下面介绍另一种简便的脱气方法：1)在普通工作室中，混合少量的硅橡胶和固化剂：2)将混合后的硅橡胶涂覆在母模的表面，构成厚度为1～2mm的薄涂层；3)在固化过程中，使涂覆的硅橡胶层充分脱气，用刀片划破无法自行消失的气泡；4)待硅橡胶薄层完全固化和脱气后，将大量混合的硅橡胶和固化剂注入母模；5)待硅橡胶模初步固化后，移去母模，再将硅橡胶模置于烘箱中，使其完全固化。特点：该种方法，虽然多了一道重涂覆硅橡胶薄层并使其固化、脱气的工序，但是、不必采用真空箱就能得到表面无气泡的硅橡胶模，虽然其内壁中可能有少量的小气泡，这不会影响硅橡胶模的使用性能。金属基合成材料的硬度高，有较高的工作温度，可用于复制高温模具。5.3.2金属基合成材料一种铝基合成材料由铝粉、小铝粉、树脂和固化剂等组成，在室温下使前3种材料与固化剂混合，经过16小时后能完全硬化，它的性能如表5.8所示，其价格为每千克15美元。其中，常用的金属基合成材抖粉是由以下几种材料组合而成：①金属粉(如铅粉、钢粉)；②粘结剂(如环氧树脂)；③固化剂。表5．9是Ciba公司生产的一种铝基合成材料的性能，它由混有铝粉的环氧树脂和固化利组成，其价格约为每千克13美元。表5.10是Ciba公司生产的一种高性能钢基合成材料的性能，它由混有钢铂的环氧树脂和固化剂组成。陶瓷基合成材料与铝基合成材料相比，有更高的硬度和更高的工作温度，也可用于复制高温模具。它由陶瓷粉、粘结剂和固化剂组成。将这几种材料混合并注入快速成形母模后，能固化成陶瓷模。一种陶瓷基合成材料的性能如表5.11所示，它须置于加热炉中，分别在49、66、121、205℃下固化2小时。5.3.3陶瓷基合成材料反应成形塑料是反应注射成形(简称RIM)工艺形成的一种材料。它的原材料通常是液态双组分物料。其中，一个组分是活泼氢的化合物，如多元酵树脂；另一个组分是异氰酸醋(硬化剂)。在多元醇组分中还包含有催比剂、扩链剂、以及其它助剂。将这两个组分按一定的比例加以混合，并在室温下注射到成型模具内，能迅速(几十秒至几分钟内)完成聚合物的聚合、链增长、交联和固化，10一40分钟内能脱模，然后，一般在80℃下经十几个小时可完全固化，从而得到高性能的聚氨脂塑料制品。5.3.4反应成形塑料这种工艺是60年代末期由德国拜尔公司开发出来的，经过20多年的发展，已相当完善，特别是近年来发展更快，用RIM工艺已能制作汽车保险杠、摩托车外壳，以及转向盘等大型、高性能装饰部件，获得了愈来愈广泛的应用。图5．3所示为RIM的原理图，其中A罐中盛有组分A(硬化剂)，B罐中盛有组分B(树脂)，它们在低压力的作用下，进入螺旋式混合头并充分混合、反应，然后经注射头注入型腔。在型腔中，A、B两成分继续进行化学反应，迅速呈凝胶状，再经自然放置或低温烘烤，可完全固化成聚氨酯。RIM工艺，采用的设备有手动注射枪和电动注射机。手动注射枪由弹簧式加压机构、双筒式储料器、螺旋式混合头和注射头组成(图5.4)。它的结构简单、使用方便、价格便宜。但采用的A、B两