第一篇：3D打印技术以及在快速铸造成形中的应用
3D打印技术以及在快速铸造成形中的应用
字数：2572
来源：环球市场 2017年11期
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摘要：3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新技术，其核心思想为增材制造。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。它无需模具，产生极少的废料，有效缩短了加工周期，在非批量化生产中具有明显的成本和效率优势。3D打印技术在铸造行业中的引入推动了传统铸造成形技术的发展和革新，并迅速改变着铸造行业的面貌。
关键词：3D打印技术；快速铸造成形；应用3D打印技术概述
随着科学与生产技术的不断革新与发展，快速成型技术，尤其是3D打印技术逐渐在制造业中已经占据非常重要的地位，成为不可或缺的一种成形制造方法。在不久的未来，以个性化、数字化、网络化、定制化为突出特点的3D打印制造技术将推动第三次工业革命。
3D打印，又称作增材制造技术，是根据前期设计的CAD三维模型，借助计算机软件控制，在打印设备上逐层增加材料堆积成所需制品造型的一种快速成形制造技术。其运作原理和传统打印机工作原理基本相同。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副2D图像。而3D打印机首先将物品转化为一组3D数据，然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印。其最大的技术优点是能简化制造程序，缩短产品研制周期，降低开发成本和风险。相比传统的制造工艺，应用3D打印技术节省原材料，用料只有原来的1/3到1/2，制造速度快了3～4倍。3D打印的铸造应用
2.1 3D打印技术在精铸模样制作中的应用
3D打印技术首先被应用于铸造模样的制作，尤其是熔模精铸中的模样制作。SLS、FDM、SLA技术均可用于蜡模的成形，但是由于获得的蜡模强度较低，在后续处理工序中易于破损，并不适合于薄壁件的铸造生产。为解决模样强度不足的问题，人们将成形所用的蜡料替换为其它类型材料，这样制备出的模样可以进行一定程度的加工以改善其表面光洁度，提高铸件的表面质量；但是此后又暴露出了新的问题，如基于非蜡模样制备的型壳容易开裂、脱模后残余灰分高等。
在早期采用3D打印技术获得模样的尝试中，型壳开裂在使用非蜡基模料的情况下非常常见，其原因是在去除模样的过程中，模样因受热膨胀而导致了型壳的开裂。为解决这一问题，3Dsystem公司采用了被称为QuickCast的成形方案，通过在制备模样时采用六角形、四方形或三角形的非实体打印模式，将模样内部材料重量减小95%，形成为内部疏松的树脂模样，这种结构可以在较低的温度下就软化并向模样内部溃缩，避免对型壳造成过大的应力，因而可降低型壳的开裂风险。需要注意的是，由于模样内部结构较为疏松，在涂挂工艺之前有必要在模样表面浸蜡并进行表面修整，以便获得平整的型壳内腔，进而浇注出较高质量的铸件。ZCorp公司则采用一种胶质淀粉原料Zp14进行3D打印，所获得的制件经浸蜡后涂挂耐火材料，以制备型壳并最终浇注零件。
2.2 3D打印技术在精铸蜡模压型制作中的应用
受打印周期的限制，模样的直接3D打印一般适用于单件或数件铸件的铸造生产。为了适应于较大批量的铸件需求，有研究者开始将3D打印技术应用于蜡模压型的制作，而后在通过所制作的压型来批量压制蜡模，以提高铸件的生产效率。
压型的3D打印制备分为直接打印和间接获得两种方式。压型的直接获得意味着通过3D打印直接制备出压型，所制得的压型再用于压制一定批量的蜡模。直接金属激光烧结（DMLS）、激光净形制造（LENS）技术均被成功地应用于压型的3D打印[6，7]，以满足快速将中等或较大批量铸件快速推向市场的需求。一些情况下，人们通过3D打印首先获得母模，然后使用母模翻制压型，即间接获得用于压制蜡模的压型。室温固化硅橡胶制模、环氧树脂制模、喷涂金属制模等技术都被成功应用于压型的间接3D打印制造。以采用室温固化硅橡胶制模工艺的精密铸造为例，其工艺实施过程如图5所示，蜡模的制备需要通过如下步骤来完成：（a）建立铸件的CAD模型；（b）采用SLA方法制备光固化模样；（c）翻制RTV硅橡胶压型；（d）压制蜡模。所压制的蜡模经修整、组合后，即可进行涂挂制备型壳，完成后续的精铸流程。工艺适用性评估表明，当铸件需求量在数十个的量级时，这一工艺具有较佳的适用性。
2.3 3D打印技术在铸型制作中的应用
3D打印技术也被应用于陶瓷型壳的直接成形。1993年，位于美国加州的Soligen Technology公司在麻省理工学院发展的3DPAM技术基础上，搭建了直接型壳制作铸造系统（DSPC），直接制备出包含内部芯子的陶瓷型壳，减少了传统熔模精铸中蜡模压制组合、制壳脱蜡等繁琐工序。该DSPC系统通过多个喷头喷射硅溶胶的方式将刚玉粉末粘结起来，未被粘接的刚玉粉被移除，从而获得型壳，所制备的型壳在进行高温焙烧以建立足够的机械强度后，即可进行金属液的浇注。DSPC系统可以用于实现任意形状的零件生产，同时也可适用于包括铜、铝、不锈钢、工具钢、钴铬合金在内的多种不同金属材料的铸件获取，铸件的生产周期可由传统熔模精铸的数周缩减至2-3天，目前这一系统已经被用于制造铸件原型及小批量的全功能铸件生产。
3D打印技术也正在改变砂型铸造工艺流程现状。在传统的砂型铸造生产过程中，需要熟练的技术工人依据图纸或模样来制作砂型，造型、制芯等工序往往耗费大量人力和时间。通过引入3D打印技术，这種局面也正在得到改变———人们已经可以通过3D打印技术快速制备所需的砂型结构，从而缩短造型工艺周期，减少对熟练技术工人的依赖。结语
3D打印技术作为目前一种先进制造技术，近年来已得到快速发展，实际应用领域逐渐增多。但其推广力度还不够大，应该加强教育培训，促进3D打印技术的社会化推广；加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平，扩大其在铸造成形领域的技术应用。
第二篇：快速成型技术在铸造中的应用
快速成型技术在铸造中的应用
快速成形制造技术是目前国际上成型工艺中备受关注的焦点。铸造作为一项传统的工艺，制造成本低、工艺灵活性大，可以获得复杂形状和大型的铸件。充分发挥两者的特点和优势，可以在新产品试制中取得客观的经济效益。
快速成形制造技术又称为快速原型制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，是一项高科技成果。它包括SLS、SLA、SLM等成型方法,集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件，所以又称为材料添加制造法(Material Additive Manufacturing 或 Material Increase Manufacturing)。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下几乎能够生成任意复杂形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，是目前适合我国国情的实现金属零件的单件或小批量敏捷制造的有效方法，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。
快速成型技术能够快捷地提供精密铸造所需的蜡模或可消失熔模以及用于砂型铸造的木模或砂模，解决了传统铸造中蜡模或木模等制备周期长、投入大和难以制作曲面等复杂构件的难题。而精密铸造技术（包括石膏型铸造）和砂型铸造技术，在我国是非常成熟的技术，这两种技术的有机结合，实现了生产的低成本和高效益，达到了快速制造的目的。
RPM技术的特点
快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将其转换成特定的文件格式，再用相应的软件从文件中“切” 出设定厚度的一系列片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层。这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，用材料添加法并以激光为加热源，依次将每一层烧结或熔结并同时连结各层，直到完成整个零件。成型材料为各种可烧结粉末，如石蜡、塑料、低熔点金属粉末或它们的混合粉末。
快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性，其特点如下：
1.方便了设计过程和制造过程的集成，整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联性，零件所见即所得，可随时修改、随时制造，缓解了复杂结构零件CAD/CAM过程中CAPP的瓶颈问题。
2.可加工传统方法难以制造的零件材质，如梯度材质零件、多材质零件等，有利于新材料的设计。
3.制造复杂零件毛坯模具的周期和成本大大降低，用工程材料直接成形机械零件时，不再需要设计制造毛坯成形模具。
4.实现了毛坯的近净型成形，机械加工余量大大减小，避免了材料的浪费，降低了能
源的消耗，有利于环保和可持续发展。
5.由于工艺准备的时间和费用大大减少，使得单件试制、小批量生产的周期和成本大大降低，特别适用于新产品的开发和单件小批量零件的生产。
6.与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。
RPM技术在铸造中的应用
（1）精密铸造
精密铸造是所有铸造方法中最精确的一种，精度一般优于0.5％，且可重复性好，铸件只需少量的机加工就可以投入使用。由于铸模是一次性使用，使得制造内部结构复杂的零件成为了可能，能生产锻造或机加工不能生产的零件。尽管精密铸造有着很多的优越性，但其生产过程复杂且冗长。压制蜡模的铝模制作，视其复杂程度和尺寸大小，一般要花几周到几个月时间。得到铝模后，还要几周时间才能得到铸件。这几周主要是用于制作型壳。除了耗时外，精密铸造还很费工，50％～80％的费用都出自于人工。此外，小批量生产中的模具费用分摊至使单价昂贵。快速成型和精密铸造是互补的，这两种方法都适用于复杂形状零件的制造。如果没有快速自动成型，铸模的生产就是精密铸造的瓶颈过程；然而没有精密铸造，快速自动成型的应用也会存在很大的局限性。快速成型技术在精密铸造中的应用，可以分为三种：一是消失成型件（模）过程，用于小批量件生产；二是直接型壳法，用于小量生产；三是快速蜡模模具制造，用于大批量生产。
图1 快速蜡模模具制造流程图
（2）快速铸造
在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业，其基础的核心部件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法，快速铸造是所有采用快速成型件做母模或过渡模来复制金属件的方法中最具吸引力的一种。这是因为铸造工艺能生产复杂形状的零件。
在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的，有时还需要钳工进行修整，周期长、耗资大，从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，略有失误就可能会导致全部返工。特别是对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸体和缸盖等，模具的制造更是一个难度非常大的过程，即使使用数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可行性方面仍存在很大困难。
RPM 技术与传统工艺相结合，可以扬长避短，收到事半功倍的效果。利用快速成型技术直接制作蜡模，快速铸造过程无需开模具，因而大大节省了制造周期和费用。图2为采用快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模及铸件，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万；用快速铸造方法，快速成型铸造熔模3天，铸造10天，使整个试制任务比原计划提前了5个月。
（3）石膏型铸造
精密铸造通常被用来从快速成型件制造钢铁件。但对低熔点金属件，如铝镁合金件、石膏型铸造，效率更高。同时铸件质量能得到有效的保证，铸造成功率较高。在石膏型铸造过程中，快速成型件仍然是可消失模型，然后由此得到石膏模进而得到所需要的金属零件。
石膏型铸造的第一步是用快速成型件制作可消失模，然后再将快速成型消失模埋在石膏浆体中得到石膏模，再将石膏模放进培烧炉内培烧。这样将快速成型消失模通过高温分解，最终完全消失干净，同时石膏模干燥硬化，这个过程一般要两天左右。最后在专门的真空浇铸设备内将熔溶的金属铝合金注入石膏模，冷却后，破碎石膏模就得到金属件了。这种生产金属件的方法成本很低，一般只有压铸模生产的2％～5％。生产周期很短，一般只需2～3周。石膏型铸件的性能也可与精铸件相比，由于是在真空环境完成浇注，所以性能甚至更优于普通精密铸造。
第三篇：电子束快速成形技术的研究进展
电子束快速成形技术的研究进展
1.引言
电子束快速成形技术是集成了计算机、数控、高能束和新材料等技术而发展起来的先进制造技术。它采用电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择性地熔化金属粉末。并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成形相比，电子束快速成形技术具有能量利用率高、功率大、加工速度快、运行成本低、高真空保护等优点，是高性能复杂粉末冶金件的理想快速制造技术，在航空航天、汽车及生物医学等领域有广阔的发展前景。
目前金属零件快速制造工艺多数采用激光在气体保护下进行金属粉末的烧结或熔化。激光作为一种金属材料的加工手段，技术比较成熟、可控性好，便于实现数控，能够较好的实现材料的“离散/堆积”，成型激光烧结在小功率范围内应用比较经济，但是当烧结或熔化诸如钨、钛及高温合金特种性能金属材料关键件时有强度不够高的缺点。而电子束加工作为另一种高能束加工手段，它是采用高能电子束作为加工热源，成型可通过操纵磁偏转线圈进行。已在金属零件快速成型领域中得到应用，并显示出了一系列独特的优势：
1）功率能量利用率高
电子束可以很容易的做到几千瓦级的输出，而激光器的一般输出功率在1 kW~5 kW之间。电子束加工的最大功率能达到激光的数倍，其连续热源功率密度比激光高很多，可达1×107 W/mm2。同时比起激光15%的能量利用率，电子束的能量利用率要高很多，可达到75%。
2）对焦方便
激光在理论上光斑直径可达1 nm，但在实际应用中一般达不到。而电子束则可以通过调节聚束透镜的电流来对焦，束径可以达到0.1 nm。因而可以作到极细的聚焦。加工出的产品粒度高，纯度高，性能更优越。
3）可加工材料广泛
大部分金属对激光的反射率很高，熔化潜热也很高，从而导致不易熔化。而且一旦熔化形成熔池后，反射率迅速降低，使得熔池温度急剧上升，导致材料汽化。而电子束可以不受加工材料反射的影响，很容易加工用激光难于加工的材料，而且具有的高真空工作环境可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。这一点对钛及钛合金的加工尤为可贵。
4）成形速度高，运行成本低
电子束设备可以进行二维扫描，扫描频率可达到20 kHz，无机械惯性，可以实现快速扫描。且不像激光那样消耗诸如N2、CO2、H2等气体，价格相比较低廉。只需消耗数量不大的灯丝。
由上可知，电子束加工较激光加工有能量利用率高、可应用材料广泛、真空环境无污染、成形速度快等优势。
除此之外，电子束在金属焊接、电子束蒸发涂覆、电子束熔炼、电子束表面处理、电子束打孔、电子束制粉、电子束消毒灭菌、电子束显微技术等领域近些年来也不断得到发展，其应用领域也在不断的拓宽。总之电子束技术符合21世纪绿色制造的宗旨，正受到更多的关注和研究，可以预见电子束在金属零件快速制造技术领域必将占有主导地位。
图1-1电子束熔化技术加工过程
2.研究进展
相对于激光及等离子束快速成形，电子束快速成形出现较晚，2001年瑞典Arcam公司确立电子束快速制造技术，其工作原理与选择性激光烧结类似(如图 1-1 所示)，加热能量是电子束。由于该技术在粉末近净成形精度、效率、成本及零件性能等方面具有的独特优势，电子束快速成形的研究在国外很快成为前沿和发展方向，美国北卡罗来纳州大学、英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司、美国Synergeering集团、德国Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司积极开展了相关研究工作。在工艺方面：美国Calcam公司采用EBM技术已制备出了全致密、力学性能优于锻造件的Ti6Al4V叶轮部件。
2.1 国外电子束快速成型研究
电子束快速成型是电子束加工与快速制造技术的相结合而产生的一种新技术，不仅可以充分利用电子束真空加工环境、高能量密度、扫描速度快、精密控制等优点，而且可以发挥快速制造无需工模具、开发周期短及制造成本低等优势，预计将在汽车、航空航天及医疗器械等领域得到快速发展和应用。电子束在快速制造领域的应用在国际上刚刚开始兴起，比较领先的是瑞典Gothenburg的Arcam AB公司研制的电子束熔化技术EBM(Electron Beam Melting)，其工作原理类似于选择性激光烧结，加热能量是电子束，采用了一套严格的温度检测控制系统。该电子束加工设备具有能量密度高、扫描速度快、精密控制等优势，主要研究高性能金属材料研究制造工艺，如钛合金Ti6Al4V、Ti6Al4VELI；钴铬合金ASTM F75；镍基合金718、625；铍/AlBeMet；可用于火箭引擎中的粉末冶金新材料GRCop-84；不锈钢316L，17-4PH不锈钢；铝合金和H13钢等，可以得到制件致密度接近100％的制件，图1-2(a)～(d)所示为使用该设备制造的钛合金(Ti6Al4V)零件。该公司电子束熔化成型的最大成型件尺寸为200mm×200mm×160mm，精度为±0.3mm。
图1-2 EBM成型件
目前该公司的产品已经在英国Warwick大学及美国南加州大学等多家快速 制造的研究机构得到了使用，并与英国剑桥真空工程研究所CVE建立了合作关系，应用领域已经延伸到汽车，航空航天及医疗器械领域。美国麻省理工学院也开展了基于电子束的直接金属快速制造工艺研究。John Edward Matz在他的博士论文中研究了另一种电子束快速制造工艺，称作EBSFF，其工艺装备如图1-3所示。
1-3 EBSFF工艺装备原理图
EBSFF系统由电子枪、三维数控工作台、送丝机构、真空系统以及控制系统等组成。在EBSFF工艺中电子束实时熔化从侧向送进的金属丝，形成熔滴；工作台移动，使熔化的金属沉积在基体上，堆积形成零件。在EBSFF工艺中电子束焦点位置是固定不变的，通过工作台的相对运动来实现任意形状截面的制造。NASA Langley Research Center利用电子束实体自由制造技术来制造具有高反射率的航空航天用合金如镁合金和钛合金的结构件。图1-4(a)~(d)为EBF3制件，制件完全致密，屈服极限和强度极限均大于手册给出的同种材料标准强度值，且性能稳定；断裂延伸率也与标准值接近。
图1-4 EBF3成型件
P.Wanjara等人用电子束自由制造技术在SU321不锈钢基板上堆积SU347不锈钢，通过微观组织的观察分析，以及硬度、拉伸强度、屈服强度的测量证明电子束自由制造技术在修补应用上能使堆积成型部分与基体部分很好的结合，经修复的结构件性能很好。与此相似的研究有镍基高温合金718，铝合金2219，钛合 金Ti6Al4V材料电子束自由制造。
2.2国内电子束快速成型研究
国内，清华大学激光快速成型中心联合国内主要的电子束设备提供单位进行了多方论证，开发出电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，并已在国内申请专利。他们发明的三维分层制造设备以粉末类材料为原料，通过电子束扫描控制装置控制电子束在指定区域内以图形投影的方式快速扫描，均匀地加热粉末材料。电子束快速扫描的显著特点是：电子束每一次扫描选定区域的时间极短，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变化时，整个成型区域就已经扫描完成，经过一帧或多帧扫描，成型区域内材料阶梯式同步升温，共同达到烧结或重熔所需的温度，并一起沉积到成型区域上，并同步的降温。由于整体成型区域内的材料同步升温、烧结、沉积和降温，因此产生的热应力可大大减小，提高零件成型的精度和质量。
图 1-4 电子束选区熔化成型件(316L 不锈钢粉末)
该中心利用电子束选区熔化成型设备进行了316L不锈钢粉末熔化成型试验研究，通过工艺试验和数值模拟，得出气雾化粉末的比例在40 %～60%之间的混合粉末具有较好的成型性能；并对316L不锈钢粉末的微观组织及熔化成型机理进行了研究，图1-4为该设备制作的316不锈钢成型件。西安交通大学刘海涛等人建立了描述电子束熔融316不锈钢粉末扫描线宽规律的数学模型，揭示了扫描线宽与电子束电流、加速电压和扫描速度呈线性关系，搭接率为0.5时的层面质量优于搭接率小于0.5时的层面质量。清华大学齐海波等人采用 SiCP/ A1复合材料进行了电子束烧结快速制造试验研究，采用这种工艺它可摆脱传统工艺制造过程中陶瓷颗粒增强铝基复合材料易氧化、增强颗粒分散不均匀及界面结合差等制约其应用的难题，能制造出任意复杂形状的结构件。韩建栋等人研究了电子束选区熔化成型技术中粉末预热工艺对Ti-6Al-4V合金粉末在高能高速电子束作用下抗溃散性能的影响，并对该粉末进行了三维零件成型试验以验证粉末预热在实际成型中的作用。陕西科技大学杨鑫等人研究了在电子束对金属粉末的作用力，建立了TA7金属粉末受力模型，并对其进行受力分析和计算，研究发现当球形和非球形粉末以3：2的比例混合时，可以得到很好的成型效果。
目前国内航空航天、汽车及生物医学等领域对复杂结构及多孔结构有巨大需求，但由于EBM工艺及设备还不成熟，暂时无法满足航空航天高性能复杂零件实际应用要求，关键问题有吹粉、球化、零件变形、残余应力、表面粗糙度等。以下从设备、工艺及专用粉末等方面着重分析，并根据分析提出具体解决措施和研究重点。
3.关键问题分析
3.1吹粉
电子质量远大于光子，所以相对于激光束，电子束动量大，在选择烧结时，会出现特有的吹粉问题，即预制松散粉末在电子束的压力作用下被推开的现象。吹粉问题会导致金属粉末在成形熔化前即已偏离原来位置，从而无法进行后续成形工作。吹粉实质上是电子束与粉末相互作用问题，齐海波建立了松散粉末简单静力学模型，确定了电子束作用条件下粉末的溃散临界条件。杨鑫针对球形、非球形以及不同比例混合粉末溃散临界条件进行了受力计算分析和实验，确定具有较好的抗溃散能力粉末混合比例。Arcam公司采用电子束通过逐渐提高电流预热粉末，通过预热粉末增加黏度并形成微烧结粉末层，使后续高能量束流熔化过程中粉末能被固定在原位。目前通过适当改变粉末的表面状态和堆积方式或粉末间的摩擦因数提高粉末抗溃散能力，然后在粉末不溃散的条件下，通过逐步提高电子束扫描电流，预热烧结并固定粉末解决吹粉已形成共识。而电子束与粉末相互作用，尤其电子束对粉末动态冲击过程的研究有待深入，粉末预热及预烧结机理有待揭示。3.2球化
球化现象又称为形球现象，是指金属粉末虽熔融但没形成一条完整平滑的扫描线，而是各自团聚成小球，其原因主要是由于熔融粉末形成的金属小液滴表面张力过大所致。刘海涛实验发现球化与功率P和扫描速度V的比值ŋ有关：
ŋ=P/V
(1)只有当ŋ大于0.1时，才能得到连续的扫描线，否则扫描线会被球化。Cormier D则采用预热增加粉末的黏度，将待烧结粉末加热到一定的温度，可有效减少球化现象。球化现象实际上取决于三方面因素：熔融小液滴表面张力、粉末是否润湿、粉末间的黏结力。如果熔融小液滴不润湿粉末，在表面张力的作用下各自团聚成小球，产生球化现象；如果熔融小液滴润湿粉末，但粉末间的黏结力小于表面张力，则熔融小液滴裹挟粉末团聚成小球，产生球化现象；如果熔融小液滴润湿粉末，且粉末间的黏结力大于表面张力，则熔融小液滴在粉末表面铺展，不产生球化现象。所以，提高粉末间的黏结力、促使熔融小液滴润湿粉末是抑制球化现象的关键。预热粉末一方面提高粉末颗粒的温度，熔融小液滴更易润湿粉末，另一方面增加粉末的黏度、固定粉末，从而抵御粉末熔融小液滴表面张力，有利于熔融小液滴在粉末表面铺展。刘海涛、Cormier D正是增加热输入，有效地减少球化现象。目前还缺乏对球化现象系统的理论研究及定量描述，球化模拟分析机理有待揭示。
3.3变形及残余应力控制
零件在直接成形过程中，由于热源迅速移动，加热、熔化、凝固和冷却速度快，受热不平衡严重、温度梯度高，组织及热应力大。随着零件结构复杂程度的提高，零件产生较大变形甚至开裂，同时成形结束后，存在残余应力分布。而残余应力作为一种内应力会影响成形构件静载强度、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能及尺寸的稳定性。由于还没有有效的实验方法能检测成形过程应力/应变的演变，复杂钛合金结构零件金属直接成形过程应力/应变的演变机理研究，主要是通过数值方法模拟，并通过残余应力测试实验验证的。早期，K.DAI、N.W.Klingbeil等人对于简单熔覆层，石力开等人对于多层直薄壁试件的温度场及简单熔覆层应力进行了模拟分析，取得了较为满意的研究结果。贾文鹏建立了严格实验验证的热弹塑性激光快速成形数值模型，并对航空发动机空心叶片激光快速成形过程温度、形变及残余应力分布规律进行了模拟分析。在控制变形开裂、消除应力方面，哈佛大学A.H.Nickel等人发现采用短路径激光扫描方式熔覆应力比长路径激光扫描方式熔覆应力小。而Li-ang Ma(马良)等人进一步指出采用分形扫描路径可使零件温度场更为均匀，同时用短折线替代长直线，有利于减小应力。贾文鹏提出随形热处理工艺，即在金属零件直接成形时，温度场趋于均匀，减小温度梯度，降低热应力，同时在热处理温度保温，通过塑性及蠕变使应力松弛，防止应力应变累积，达到成形同时减小变形、抑制零件开裂、降低残余应力水平的目的。目前在复杂零件电子束成形零件变形、残余应力消除方面还有待深入，其中关键是在随形热处理应力松弛机理，随形热处理过程温度、应力演化的基础上，研究随形热处理塑性变形及蠕变的演化及分布规律，定量分析工艺参数、约束形式对塑性变形及蠕变的影响，确定不同时刻、不同部位塑性变形及蠕变的主导形式，通过随形热处理工艺对电子束快速制造过程应力、变形控制，减小零件变形，降低残余应力，实现电子束快速制造及随形热处理工艺的优化。
3.4 表面粗糙度
电子束成形零件表面粗糙度一般低于精铸表面，对于不能加工的表面，很难达到精密产品的要求。影响电子束成形零件表面粗糙度的因素主要有：切片方式及铺粉厚度、电子扫描精度、表面粘粉等。其中切片方式及铺粉精度、电子扫描精度与成形设备有关，而表面粘粉与预热、预烧结及溶化凝固工艺过程有关。
目前国内电子束成形设备还不成熟，关键问题是没有电子束成形专用的电子枪，而一般用于电子束焊机的电子枪很少高速扫描，所以在扫描速度、范围、精度、能量密度分布方面与电子束成形工艺要求差距较大，比如如何实现宽幅扫描、动态聚焦、能量密度均布等功能，电子枪需要重新设计，控制及偏转系统有待于研制。另一方面，预热及预烧结工艺在固定粉末抵抗电子束流轰击中起关键作用，但如果预热温度过高，造成在粉末溶化凝固时，周围热量传导粉末溶化烧结，从而造成表面粘粉降低表面质量。所以预热温度、区域选择，尤其是成形区边缘的温度必须严格控制，防止在成形时成形区边缘粉末溶化造成表面粘粉。该方面的工艺研究亟待开展，而表面粘粉机理研究还有待深入。3.5缺陷控制
电子束成形采用逐层熔化堆积形成零件，在成形过程易受偶然因素影响，难免形成融合不良、隔冷、球化等缺陷，所以必须发展缺陷控制技术。目前，电子束成形缺陷控制技术主要有：在成形过程中实时发现缺陷并对其采用电子束重熔消除及在成形后采用热等静压工艺消除两种方法。热等静压易实施，并在铸件及高温合金激光快速成形件消除内部缺陷上广泛应用，但成本较高、效果有限。目前采用红外线阴影模式识别技术，通过实时检测每一层表面缺陷，实现电子束快速制造内部和表面缺陷实时电子束重熔消除是缺陷控制研究重点。而准确识别缺陷、内部缺陷电子束重熔机理分析有待进一步研究。
4总结与展望
电子束快速制造技术是近几年发展起来的一种快速制造技术，国内外在此项技术研究水平上的差距不太大，这为我国在该技术的研发上与国际同步提供了很好的契机。国内清华大学及西北有色金属研究院等单位在电子束快速制造装置及工艺方面进行了跟踪研究。但要实现高性能复杂零件电子束快速制造及广泛应用，还需做巨大努力。目前面临的吹粉、球化、零件变形、残余应力、表面粗糙度等主要问题，可通过粉末搭配、预热及预烧结、随形热处理、缺陷重熔等工艺有效解决，其关键是电子束与粉末相互作用、粉末烧结及熔化、温度场及应力应变演化等工艺过程的研究。此外专用电子枪的研制、动态聚焦及扫描精度的提高、温度闭环控制等设备的保障也是不可或缺的条件。
第四篇：冲压模具的快速成形技术介绍
冲压模具的快速成形技术介绍
随着经济的快速发展和市场需求的多样化,人们对产品生产周期的要求越来越短,尤其在小批量甚至单件生产方面,要求现代制造技术不仅要有较高的柔性,还要有更新的、更能满足市场要求迅速变化的生产模式。数控单元冲压模具快速成形技术,就是为适应此种状态而产生的。
单元冲模快速成形的数字化编码钣
钣件的形状可分割成一些简单的图形元素,然后合成所需图形。例如:矩形是4个直角的合成;波浪形是一些曲线的合成等。因此,对于一些精度要求较高的小批量甚至单件生产的钣金件,可以用一些通用件迅速组装成单元冲压模具,采用数控技术,使之快速成形。将被加工钣金件看成一个可被分割的平面图形,对分割出来的简单图形元素进行数字化处理。即按其方位进行定位编码。非等距简单图形零件的数字化,缺口1、2、3、4的(Δx,Δy)均相等,方孔5的(Δx,Δy)均等于2倍的(Δx,Δy),设现有通用冲头的宽等于Δx,长等于Δy。缺口1由位置(2,0)以及位置(3,0)合成,缺口2、3、4同样由两个位置合成,方孔由8个位置合成。如果采用矩形单元快速成形,可以获得如图2所示的二维编码,由于划分过细使得到的编码较长。如果采用正方形单元快速成形,则可以获得如图3所示的二维编码,其编码减小一半。
快速成形的结构设计
目前，大部分中小型企业尚不具备购买高档数控冲床的经济实力，数控单元冲压模具可以直接安装在普通冲床上作为简易数控冲床来使用，上模为凸模机构。光电头安装在上模板下方以检测凸模的起落。坯料的装夹要根据不同的需要进行设计。料板由步进电机控制丝杠分X,Y方向驱动。下模为凹模机构，直接安装在工作台上。
快速成形的控制系统设计
电机驱动及选用，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。共有3种:永磁式、反应式和混合式。混合式集中了前二种的优点，从性价比方面进行综合考虑，拟选用步进角1.8o的两相混合式步进电机。驱动器的型号、种类较多，细分型为考虑对象。因为细分型可消除电机的低频振荡，可提高电机的输出转矩及分辨率。顾及速度和精度细分系数定为4。
系统硬件设计数控单元冲模是安装在曲轴式压力机上的，机床的冲压原理不变。需要控制的是两方面内容:首先要确定零点以及各工位点的位置;其次在上冲模往复动作的启停间被加工件的按编码所得的X,Y方向的快速进给送料运动以及这两个动作的协调。即实现冲压和送料动作的同步控制。
数控系统的人机界面采用键盘输入LED显示键盘具有数字键、设定、修改、查寻、X及Y方向的调整、执行等的功能键，可用来完成加工程序的输入、修改及对控制的操作和调整等。操作人员根据被加工件的形状在计算机上进行编码，自动生成加工程序，通过串行口将加工程序下载给单片机并且保存在FLASH ROM中。工模安装后手动调整零位。进入执行后单片机从FLASH ROM中取得加工程序，并计算X,Y方向的步进距离后再将其转换成相应的步进脉冲数控制X,Y方向的步进电机的转动步数。当光电信号检测到上模位于开启位置时数控系统迅速将待加
工件定位到加工位置，并且启动冲床上冲模下压，实现一次冲压。在冲床带动上冲模开启时数控系统迅速地将待加工件移动到下一加工位置等待下次冲压，直到完成加工停止冲床运动。
系统软件设计
整个系统由上位机来管理。系统软件语言采用Visual Basic 6.0编制其集成开东莞市拓步电子有限公司电话：0769-82123458传真：0769-82123428 网址：http:///发环境(IDE)集设计、修改、调试、生成等功能于一体，人机交互界面十分友好。它是功能强大的Windows环境下的编程语言简单易学可视化程度高。系统软件结构采用模块化结构，共有5个功能模块:系统开机后进入Windows界面双击“数控单元冲模”图标，即弹出应用界面，可选择功能模块。
随着数控技术、伺服技术、运动元件的发展，以及市场经济的需要，数控单元冲压模具快速成形技术得到迅速发展。对于中小型传统企业，这种结合传统制造工艺的高新技术无疑是一种投资省，见效J陕，方便、快捷的技术。随着经济和科学技术的不断发展，实现自动上下料装备、外置模具库自动换模装备等，已经摆在人们的面前。可见，数控冲压的发展是以相关技术和新结构的研制为基础的。单元冲压模具快速成形技术，无疑是先进冲压技术发展的一个新起点 模内攻牙技术
模内攻牙又称模内攻丝,是一种替代了传统人工攻牙的新技术,目前传统的攻牙设备已经不能适应冲压产品需求,效率太低,加工时间长.远远满足不了市场的需要.模内攻牙技术的导入使得冲压模具真正的实现了自动化,效率化,攻牙范围可达到最小M0.6,最大可达到M45.精度可达到0.01mm,模内攻牙技术使的冲出来的产品不需要再进行第二次人工攻牙,其挤压出来的产品质量有保证,表面光洁度好,效率高,成本低.广泛应用于冲压。
制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。基本分类
a.碳素工具钢在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等，优点为加工性能好，价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。
b.低合金工具钢低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。
c.高碳高铬工具钢常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2）、SKD11，它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔（轴向镦、径向拔）改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。
d.高碳中铬工具钢用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它们的含铬量较低，共晶碳化物少，碳化物分布均匀，热处理变形
小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有所改善。
e.高速钢高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2（代号6-5-4-2，美国牌号为M2）以及为提高韧性开发的降碳降钒 高速钢 6W6Mo5 Cr4V（代号6W6或称低碳M2）。高速钢也需要改锻，以改善其碳化物分布。
f.基体钢在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强韧性冷作模具钢，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有 6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）等。
g.硬质合金和钢结硬质合金硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是钨钴类，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用含钴量较低的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用含钴量较高的硬质合金。
钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末（如铬、钼、钨、钒等）做粘合剂，以碳化 钛或碳化钨为硬质相，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达 68 ~ 73HRC。
h.新材料冲压模具使用的材料属于冷作模具钢，是应用量大、使用面广、种类最多的模具钢。主要性能要求为强度、韧性、耐磨性。目前冷作模具钢的发展趋势是在高合金钢D2（相当于我国Cr12MoV）性能基础上，分为两大分支：一种是降低含碳量和合金元素量，提高钢中碳化物分布均匀度，突出提高模具的韧性。如美国钒合金钢公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊钢公司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。另一种是以提高耐磨性为主要目的，以适应高速、自动化、大批量生产而开发的粉末高速钢。如德国的320CrVMo13，等。
选用原则
在冲压模具中，使用了各种金属材料和非金属材料，主要有碳钢、合金钢、铸铁、铸钢、硬质合金、低熔点合金、锌基合金、铝青铜、合成树脂、聚氨脂橡胶、塑料、层压桦木板等。
制造模具的材料，要求具有高硬度、高强度、高耐磨性、适当的韧性、高淬透性和热处理不变形(或少变形)及淬火时不易开裂等性能。
合理选取模具材料及实施正确的热处理工艺是保证模具寿命的关键。对用途不同的模具，应根据其工作状态、受力条件及被加工材料的性能、生产批量及生产率等因素综合考虑，并对上述要求的各项性能有所侧重，然后作出对钢种及热处理工艺的相应选择。
当冲压件的生产批量很大时，模具的工作零件凸模和凹模的材料应选取质量高、耐磨性好的模具钢。对于模具的其它工艺结构部分和辅助结构部分的零件材料，也要相应地提高。在批量不大时，应适当放宽对材料性能的要求，以降低成本。
当被冲压加工的材料较硬或变形抗力较大时，冲模的凸、凹模应选取耐磨性好、强度高的材料。拉深不锈钢时，可采用铝青铜凹模，因为它具有较好的抗粘着性。而导柱导套则要求耐磨和较好的韧性，故多采用低碳钢表面渗碳淬火。又如，碳素工具钢的主要不足是淬透性差，在冲模零件断面尺寸较大时，淬火后其中心硬度仍然较低，但是，在行程次数很大的压床上工作时，由于它的耐冲击性好反而成为优点。对于固定板、卸料板类零件，不但要有足够的强度，而且要求在工作过程中变形小。另外，还可以采用冷处理和深冷处理、真空处理和表面强化的方法提高模具零件的性能。对于凸、凹模工作条件较差的冷挤压模，应选取有足够硬度、强度、韧性、耐磨性等综合机械性能较好的模具钢，同时应具有一定的红硬性和热疲劳强度等。
应考虑材料的冷热加工性能和工厂现有条件。注意采用微变形模具钢，以减少机加工费用。对特殊要求的模具，应开发应用具有专门性能的模具钢，选择模具材料要根据模具零件的使用条件来决定，做到在满足主要条件的前提下，选用价格低廉的材料，降低成本。
第五篇：饲料快速检测技术应用
上海千测认证网提供
饲料快速检测技术应用
随着科学技术的发展，饲料检验的手段与方法有多种多样，检测仪器也越来越灵敏，检测方法的检测限量也越来越低。由于饲料行业的检测多在生产第1线，试验条件千差万别，采用快速常见的快速检测方法尤为重要。快速检测法因其检测所需的时间短、仪器要求简单、结果判别容易，人员技术要求低、对环境没有特别的要求。一般的快逮检测产品都可满足饲料检测的要求，得到检测人员的一致认同，同时解决了基层检测的技术困难，既快速又简便，还可明显降低检测成本。
酶联免疫检测法(ELISA)
ELISA法原理是利用免疫学抗原抗体特异性结合和酶的高效催化作用，通过化学方法将植物辣根过氧化物酶(HRP)与检测物结合，形成酶偶联物。酶联免疫检测试剂盒已经有很多的品种，试纸条的品种还不算太多，主要可满足瘦肉精、氯霉素、磺胺、激素、安定等常见药物残留的检测。
免疫金技术
免疫金技术即是用胶体金标记抗原抗体反应，当这些标记物在相应的配体处大量聚集时，肉眼可见带颜色的斑点，因而可用于定性或半定量的快速检测技术。该技术转化的产品往往以检测试纸的形式出现，目前已经上市的产品有沙门氏菌等微生物检测试纸、氯霉素等抗生素检测试纸、磺胺检测试纸和药物残留瘦肉精检测试纸等，而且品种在不断增加。筛选法
这是检测的第1步，用于大量样品的高通量分析，目的是检测某种或某类危害物是否存在，它简单、快速、不需要特殊的场地、不需要大型仪器设备和专门的人才，花费一般也比较低。筛选法可基于许多原理，但目前应用最多的是生物试验法和酶联免疫(ELISA)法，如美国利用抗生素对细菌生长的抑制作用，设计的USDAStopTest和
Fourplate(SevenPlate)检测抗生素残留的方法就是典型的生物试验法，而当前出现的众多检测B．激动剂、性激素、氯霉素、磺胺药、霉菌毒素和厦刍动物蛋白的各种试剂盒则大多属ELISA法。由于ELISA具有抗原．抗体特异反应，又有足够的灵敏度，所以对它的要求主要是不出现假阴性和尽可能少的假阳性。筛选法只能定性，回答yes或no，至多给出半定量的结果。
确证法
该法是对筛选法定为阳性反应的样品做出进一步检测，能给出确信无疑的结论和结果，常常用于残留分析及禁用兽药的定性与定量分析。确证法应用多种技术原理，如应用两种以上检测原理的高效液相色谱（HPLC）法或气相色谱(GC)法、色谱和放射免疫技术联用法等，但应用最多的是色谱与质谱(MS)的联用技术-GC-MS(GC-MSn)或LC-MS(LC-MSn)。由于特定测定条件下，待测物会形成特有的分子离子（准分子离子）及其加合物和碎片离子组成的质谱图，因此与使用常规检测器的GC、LC相比，MS能给出反映化合物结构本质的信息，故而给出更令人信服的确证结果。欧盟第二版关于兽药残留的参考方法多半是用GC-MS作确证法的。近年来随着LC-MS仪器的成熟与普及，以及它在测定不挥发、极性、半极性和热不稳定化合物中的种种优势，使之在兽药、兽药残留和其他有机物检测方面得到了越来越广泛的应用。GC-MS，LC-MS或LC-MSn还有较低的检测限(LOD)和定量限(LOQ)，因此更适用于微量危害物和残留的定量分析。确证法由于需要大型仪器，所以要求特殊的场地和专门的人才，分析费用高，前处理一般也比较费时。对确证法的要求是：其LOD和LOQ要低于规定的MRL值（至少3～10倍），不出假阳性和尽可能低的假阴性。
定量法
要任务是给出待测物的定量结果，大多用于法律法规准用但限量的药物、添加剂或其他危害物的测定。常用的技术有紫外．可见光分光光度法(UV-VIS)、荧光分光光度法、原子吸收分光光度法(AAS)、诱导耦合等离子发射光谱法(ICP)、GC、LC和薄层色谱法(TLC)等。尽管光谱法和色谱法，特别是色谱法也可给出定性的信息，但一般不用于确证。定量法应有足够低的LOQ、准确度和精密度。
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