目前,國內外生產製造大型3D打印設備廠家所生產的設備在實際生產應用中,存在材料成本居高、產品(pǐn)精度差及打印效率低等眾多問題,利用3D打印設備生產的模具應用水平仍停留在樣件、試驗(yàn)、新產品研發等階段(duàn),導致大多模具製造企業仍以手工(gōng)、半自動加工設備製造(zào)模具,3D打印技術工業產業化應用成為(wéi)模具行業現階段亟待解(jiě)決(jué)的問題和瓶頸。
本文研製一種以粒狀PLA為原輔材料的模(mó)具3D打印設備,主要研究:針對鑄造(zào)業對模具3D打印設備在精度(dù)、效率及實際應用(成本、工藝)等方麵的要求。開發一種更簡單、更安全、精(jīng)確度更高(gāo)的(de)材料單元在堆積過程中的控製方式、設備自(zì)動化再塗層結構(gòu)等關鍵技術,實現控(kòng)製更小的層厚及其穩定性、更高效的塗層結構,提高打印精度、效率及範(fàn)圍,降低表麵粗(cū)糙度值(zhí);完善打(dǎ)印工藝關鍵參數定製、模(mó)具(jù)後(hòu)期處理工藝等,以使模具3D打印產品在抗拉(lā)強度、彎曲強度、硬度、表麵粗糙度等性能(néng)達到模具鑄造業的使用要求,實現模具3D打印設備在鑄造產業中得到批量使用(yòng)。
一(yī)、技術設(shè)計
1. 技術原理
(1)3D打印FDM技術(熔融沉積成形)原理 3D 打 印FDM技(jì)術指加熱噴頭在(zài)計算機的(de)控製下,根據產品零件的截麵輪廓信息,作X-Y平麵運動,熱塑性材料由供料機構(gòu)送至熱熔噴頭,並(bìng)在噴頭中加熱和熔化成半液態,然後(hòu)被擠壓出來,有選擇性(xìng)地塗覆在工(gōng)作(zuò)台上,快(kuài)速冷卻(què)後形成(chéng)一層0.1~1mm厚的(de)薄片輪廓。一層截麵(miàn)成形完(wán)成後工作台下降一定高度,再進行下一(yī)層(céng)的熔覆,如此循環,最終形(xíng)成三維產品零件。
(2)塑料擠出原理 塑料擠出主要是利用塑料(liào)的可(kě)塑性,使塑料在機筒內通過加(jiā)熱和螺(luó)的作(zuò)用,經過破碎、融熔、塑化、排氣(qì)及壓實過程,最(zuì)後成形、冷卻定型。這一(yī)係列過(guò)程(chéng)是連續實現的。
按照物料(liào)的不同反應,一般將整個過(guò)程分為三個階段:塑化階(jiē)段、成形階(jiē)段、定型階段。塑料(liào)擠出特性主要表現在塑化階段。塑料(liào)擠出最重要的條件是擠出壓力和擠出溫度。
2. 工作過程
首先,進行模樣三維建模,完成後將建好(hǎo)的模樣通過切片軟件進行布圖(tú),同時完成(chéng)擠出參數設置(zhì),完成模樣切片,最終生產宏程序代碼(程序代碼含擠出(chū)電動機轉速、分層厚度、掃描軌跡等(děng))。設(shè)備根據切片軟件生產的宏程序代碼按設定好的掃描軌跡、運行速度,控製機床運動。在設備運動過程(chéng)中,擠出機構根據(jù)切片軟件(jiàn)設定好的與(yǔ)機床(chuáng)運行速度匹配的擠出速度進行擠壓,將粒料擠壓成熔融態,通(tōng)過噴(pēn)嘴擠到工作台上。機床根據切片軟件生產的宏程序代碼按預定(dìng)軌跡逐層運行、打印,最終完成三維實體模樣的打印製作(zuò)。設備工作過程如(rú)圖1所示。
圖1 設備工作過程
二、設備研製
1. 材料特性檢測檢測PLA材料熔(róng)融狀的特性、熔(róng)融狀的溫度範圍、熔融凝固的時間、產品抗(kàng)拉(lā)強度及材料堆密度等材料(liào)的本身特性(xìng),具(jù)體如表1所示。
表1 PLA 材料的特性
2. 工藝要求(qiú)
主要解決的問(wèn)題:打印掃描路徑的布置,最優的打印軌跡,翹邊、斷層(不加支(zhī)撐的情況下)問題。工藝參數確定:選定直徑為30mm的擠出螺杆,根(gēn)據PLA材料塑化特性,確具(jù)體見(jiàn)表2。
表2 擠出參數(shù)
3. 設備研製
(1)軟件設計 根據材料及打印工藝要求(qiú)確定三維切片軟件參數,包括打印層厚、打印速度、掃描路徑等,實現掃描路徑可自由設計、更改,避免翹邊及斷層。設置各項參數(shù)為變(biàn)量可調,使打印速度與掃描速(sù)度匹配,保證打印均勻,即始終保證螺杆(噴嘴(zuǐ))輸送效率η 1等於打印效率η2。計(jì)算公(gōng)式如(rú)下:
h——打印層厚(m)。
由以上公式可知,在螺杆參數一定的情況下,要保證打(dǎ)印效率恒定,隻需要保證螺(luó)杆轉速n與噴頭運行速度v相匹配。
(2)擠出(chū)螺杆參數確定 表3為φ30mm擠(jǐ)出螺(luó)杆的參數。
表3 φ30mm擠出螺杆的參數
(3)設備結構設計 打印設備結(jié)構采用數控動梁龍門機床結構與擠出機擠出機構,融合先進的數控係統及特定切(qiē)片軟件進行合理化設計,具體如下:① 采用定製開發的三維(wéi)切(qiē)片軟件(jiàn),與設備數控係統深度集成。② 采用交換工作台(tái)及(jí)精確定位係統(tǒng),且打印工作區與卸料區完全分開,保證安全操作(zuò)。③ 采用工作台升降方式,減(jiǎn)少聯動機構,簡化(huà)運動機構的複雜(zá)性(xìng),提高了打印速度。圖2為設備的結構示意。
圖2 模具3D打印設備結構示意
1. 加料口 2. 出料(liào)口(含料位檢測裝置) 3. X軸電動機(線軌) 4. Y軸電(diàn)動機5. Y軸絲杠、線軌 6. 擠出存料口(含料位檢測裝(zhuāng)置) 7. 滑(huá)座 8. 擠出電(diàn)動機
9. 減速機 10. 擠出機構 11. 噴(pēn)頭(tóu) 12. 電控櫃 13. 工作台抬升電動機 14. 工作(zuò)台(tái)絲杠15. 工(gōng)作台導軌 16. 工作台滑塊 17. 工作台 18. 機床基座
圖3 用於(yú)對比的模(mó)樣
(4)設備參數設定 產品成形尺寸:長×寬(kuān)×高=1500mm×1000mm×500mm;工作台麵尺寸:1500mm×1000mm;工作台承重:3t;最(zuì)快移動速度(dù) :X軸 30m/min,Y軸 30m/min,Z軸 5m/min;定位精度(XYZ):±0.1mm/1000mm;重複定位精度(XYZ):±0.05mm。
(5)設備性能對比 為了將模具3D打印設備與傳統木模樣製作進行對(duì)比,現用此兩種方法生產圖3所示的模樣,其中模樣的參數有以下方麵:模具體積(jī)0.15m3;所需木材(cái)0.3 m3;外廓尺寸:1.75m×1m×0.35m。主要從生產效(xiào)率和(hé)成本兩個方麵(miàn)對兩(liǎng)種模樣生產方法進(jìn)行對比(bǐ),具體實測情況如表4所示。從表中可以看出,用3D打印的方(fāng)法生產模樣的效率是用傳統方法生產模樣效率的近7倍,而生產成(chéng)本隻是傳統方法木模生產成本(běn)的一半左右(yòu),故用(yòng)3D打印生產(chǎn)模樣在生產效率和成本上都具有極大的優勢,一方(fāng)麵搶占了市場先機,另一(yī)方麵節約了成本(běn),實現了低成本、高(gāo)效率的生產。
表4 傳統木模樣與3D打印(yìn)模樣的對比
三、結語
綜上所述,其(qí)用於模具製作的大型FDM三維打印機(jī),基於(yú)FDM技(jì)術,采用數(shù)控動梁龍門機床結構與擠出機構,融(róng)合先(xiān)進的數控係統及特定切片軟件,使用PLA工程塑(sù)料,按預定三維圖像進行分層三維打印成形。此模樣打印技術與傳統減材模樣製作相比,一方麵沒有多餘生產原料的投入,避免了不必要的(de)原材料成本;另(lìng)一方麵生產效率提高了3~5倍;第三方麵製造過程人工(gōng)需求量少(shǎo),使人工成本下降了50%。
截止2014年國內鑄造廠已突破10000家,如此多的競爭對手,如何(hé)能快速低成本地推出新產品、搶占市場,將是企業(yè)生存的關鍵,而該大型FDM三維模樣打印機以其快速、低成本的模樣製作(zuò)優勢,在鑄造行業擁有巨大的應用前景(jǐng)。
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