材料的其它成形工艺

感悟LIU · 发表于 2009-3-22 16:02:39

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第四篇  材料的其它成形工艺
第十五章  塑料的成形工艺
§15-1  塑料的性能及选用
塑料——以合成树脂或天然树脂为原料，在一定温度和压力条件下可塑制成形的高分子材料。
多数塑料以合成树脂为基本成分，一般含有添加剂（如填料）、稳定剂、增塑剂、色料或催化剂等。
分类：热塑性塑料——受热呈熔融状态，可反复成形加工
   热固性塑料——成形后成为不熔不溶的材料
通用塑料——聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯（应用广、价便宜）
工程塑料——具有较高物理机械性能，应用于工程技术领域，
常用有ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛等。
一、常用塑料
1、ABS
共聚物——（丙烯腈—丁二烯—苯乙烯）
耐化学腐蚀、表面硬度坚韧    良好加工性能、染色性能
优良的综合性能
缺点——热变形温度较低、低温耐冲击性不够好，使用范围（温度）-40°~100℃
应用范围广泛，如齿轮、轴承、泵叶轮、电话机、电视机、收录机、洗衣机、电冰箱、电子计算机外壳等。
2、聚酰胺（俗称尼龙PA）
主要品种：尼龙6  尼龙66 尼龙610  尼龙1010  MC尼龙
特点——较高的机械强度，抗冲击韧性、自润滑、耐磨、耐疲劳、耐油性等
不足——吸水率大，影响产品尺寸稳定性，长期连续使用温度→80℃左右。
3、聚碳酸脂（PC）
透明、呈微黄色，突出的机械强度和良好的尺寸稳定性、耐蠕变性、耐热性、电绝缘性。
缺点——内应力大易开裂、高温易水解，
使用温度范围：-100~130℃
使用注射成形法加工，也可挤塑成型管、片、棒、型材等。
4、聚甲醛（POM）
表面光滑、有光泽的硬而质密的材料
一种非常重要的工程塑料（均聚甲醛、共聚甲醛）
使用温度范围-40°~100℃
广泛应用于汽车工业、机械制造业、精密仪器、电子工业等。
5、聚四氟乙烯（PTFE）
“塑料王”-200℃下仍能保持韧性，260℃下能长期连续使用，
主要用于耐化学腐蚀、耐磨密封件和电绝缘方面。
6、聚苯醚（PPO）
——最小的吸水性和很高的软化温度，长期连续使用温度-40°~150℃，但易发生应力开裂
7、聚砜（PSF）
-100°~150℃连续使用，机械性能十分优异
8、聚丙烯（PP）
通用塑料、价格便宜，使用广泛
9、环氧树脂（EP）
热固性树脂
10、聚氨脂（PUR）
泡沫塑料应用最多
11、酚醛树脂（PF）
最早被人工合成的塑料材料
二、塑料的工艺性能
1．热固性塑料的工艺性能
① 收缩性（与铸造相似）——
影响因素：化学结构变化、热收缩、弹性恢复、塑性变形
加温、熔融→充型→冷却、室温（尺寸收缩）
②流动性
在一定的温度和压力下充满型腔的能力
测量——将一定质量的塑料预压成圆锭，再把圆锭放在标准压模中，在一定温度和压力下，测定塑料自压模孔中流出的长度来比较。
影响因素：塑料性质、模具结构、预热及成形工艺条件
③比容和压缩率
比容——单位质量塑料所占的体积
压缩率=塑料的体积/塑件的体积>1 塑料松散程度
它们大→加料腔大，且内部充气，成形排气困难→成形周期长→生产率低
④水分和挥发物的含量
含量过大→流动性将增大→溢料、气泡、疏松、翘曲变形、波纹，且有些气体腐蚀、刺激作用，故成形前应预热干燥，或在模具上开排气槽
⑤固化特性
热固化树脂，塑料由可熔可熔状态（固化、熟化）→不熔不溶状态
实践证明，固化很难反应完全，因此，热固化性塑料成形的重要问题——根据热固性树脂交联特性，通过控制成形工艺条件——所需交联程度
2．热塑性塑料的工艺性能
①收缩性——影响因素同热固性塑料，但塑料的相对分子质量一般呈正态分布，在最大与最小之间波动
②塑料状态与加工性
在恒定压力下，随加工温度变化，存在三种状态：玻璃态、高弹态、粘流态（图15-1）
Tg——玻璃化温度
Tf——非结晶塑料的粘流温度；
Tm——结晶塑料的熔点
Td——热分解温度（聚合物分解）
Tf、Tm、Td——成形加工的重要参数
③粘度与流动性
粘度——塑料熔体内部抵抗流动的阻力。
粘度↑→流动性↓
流动性好——聚酰胺、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素
流动性中等——改善性聚苯乙烯、ABS、聚甲醛、氯化聚醚等
流动性差——硬碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、氟塑料
④吸水性——有吸附或粘附水分倾向——ABS、聚酰胺、聚砜、聚碳酸酯
         不易吸附或粘附水分塑料——聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛
成形前应干燥处理
⑤结晶性：结晶型塑料——冷凝后具有结晶特性，呈不透明或半透明态
（如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺）
非结晶型塑料——透明的（也有例外、ABS非结晶型却不透明）
结晶型使用性能好，但成形工艺性能差
⑥熔体破裂——塑料熔体在恒温下通过喷嘴时，其流速超过一定值后，挤出的熔体表面会发生明显的横向凸凹不平或外形畸变→使熔体支离或断裂的现象。
影响塑件外观、性能（控制熔体速率指数）

§15-2  塑件的成形
（图15-2）塑件的生产顺序
常用的注塑成形、挤塑成形、压制成形、中空成形、真空成形、缠绕成形、反应注射成形
一、注射成形
又称注塑成形
是将热塑性塑料或某些热固性塑料加工成零件的重要加工方法。
主要设备——塑料注射成形机、塑料注射成形模具
（图15-3）塑料注射成形基本动作
组成：注射装置——使塑料在螺杆和料筒之间均匀受热、熔融、塑化成塑料熔体
合模装置——完成塑料注射模具的开、闭，锁紧模具
液压传动装置——
电气控制系统——
注射装置——螺杆、料筒、料斗、喷嘴、计量装置、螺杆传动装置、注射油缸、注射座移动油缸等。
合模装置——模板、拉杆、合模机构、油缸、制品顶出装置、安全门
工作过程：
①闭模和锁模
②注射——塑料熔体注入模具型腔（图15-3）a
③保压——（图15-3）b
④冷却和预塑化
⑤脱模——（图15-3）c
（图15-4）螺杆注射模塑工作循环
（图15-5）倾向抽芯的塑料注射模具
更换模具，可在注射机上生产不同的注射件
[注]：影响成形和制品性能的重要影响因素
注射温度
模具温度
注射压力
保压时间
注射成形可制造各种形状复杂的注塑件（几克到几千克）生产率高，较高的精度，是工程塑料加工主要成形方法
（表15-1）易出现问题及解决方法
二、压塑成形
也称压制成形或模压成形
设备——液压机、压塑成形模具
主要用于热固性塑料的成形（如酚醛树脂、密胺树脂）
成形原理——塑料原料直接加入高温的压塑模具型腔和加料室中，然后将模具闭合，原料在热和压力作用下→熔融流动，充满型腔→树脂与固化剂发生化学交联反应，在型腔中固化、定型成制品→固化定型后打开模具→取出制品。
（图15-6）压制成形示意图
压塑模具与注射模具相似，但无浇注系统，只有一加料室。
注射成形——高温、高压的塑料熔体进入型腔
压制成形——凸、凹模对原料施加压力，迫使塑料在型腔流动，强度要求高。
[注]压制成形主要控制因素——成形压力、模压温度、加料量
（表15-2）部分热固性塑料成形压力及温度
适合——成形流动性较差的、布基、纤维填充的热固性塑料。
但生产周期长，效率低，不适合形状复杂、精度高的制品。
三、压铸成形——改进压制成形缺点，吸收注射成形优点
成形原理（图15-7）
四、挤塑成型（也称挤出成形）
用来生产管材、棒材、板材、型材、薄膜
一条挤出生产线包括——挤出机、挤出模具、冷却定型装置、牵引装置、切割或卷取装置、控制系统
（图15-8）挤出管材生产线示意图
挤出机：挤压系统——螺杆、料筒、料斗
传动系统
加热、冷却系统
螺杆是挤出机关键部件（图15-9）——加料段、压缩段、均化段
塑料挤出模具是挤出成形的关键工装，机头是挤出模具的主要部分
（图15-10）挤出机头示意图
[注]：挤出成形的基本工艺参数——
挤出机料筒温度、
挤出模具温度、
冷却定型温度、
挤出机螺杆转速、
牵引速度
四、挤塑成型（也称挤出成形）
用来生产管材、棒材、板材、型材、薄膜
一条挤出生产线包括——挤出机、挤出模具、冷却定型装置、牵引装置、切割或卷取装置、控制系统
（图15-8）挤出管材生产线示意图
挤出机：挤压系统——螺杆、料筒、料斗
传动系统
加热、冷却系统
螺杆是挤出机关键部件（图15-9）——加料段、压缩段、均化段
塑料挤出模具是挤出成形的关键工装，机头是挤出模具的主要部分
（图15-10）挤出机头示意图
[注]：挤出成形的基本工艺参数——
挤出机料筒温度、
挤出模具温度、
冷却定型温度、
挤出机螺杆转速、
牵引速度

五、中空成形
也称吹塑成形（源于古老的玻璃吹瓶工艺）
类型：挤出吹塑成形——常用
   注射吹塑成形
（图15-11）挤出中空吹塑成形示意图
中空成形模具一般为两瓣对合的模具，应开设排气槽
（在分型面或模具“死角”处）
[注]：重要控制工艺参数——挤出温度
                     挤出速度
                     压缩空气压力
六、真空成形
也称吸塑成型
将热塑性塑料板材、片材夹持，固定在模具→辐射加热器加热（软化温度）→真空泵抽空气→在大气压作用下，板材拉伸变形，贴合到模具表面→冷却后定型为制品
适用于——成形包装制品（如药品包装、一次性餐盒）
（图15-13）真空成形工艺过程
常用材料——聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS等
七、浇注成形
——铸塑
借助金属浇注方法
成型时将尚未聚合的原料单体（液状或浆状）与固化剂、填料等按比例混合均匀→注入浇注模具，完成聚合反应→固化为塑料制品——静态浇注法。
此外，还有离心浇注、搪塑等。
特点——不需或很少施加压力，对模具、设备要求低，
适合于生产大型制品、用机械切削加工的单件塑料制品
[注]：静态浇注使用的塑料品种主要有——MC尼龙、环氧树脂、有机玻璃等。
静态浇注法：原料＋固化剂＋填充剂（比例、混合）→浇注模具中聚合反应→固化→塑件
此外，还有离心浇注、流延铸塑、搪塑、滚塑等。
八、泡沫塑料的压制成形和低发泡塑料注射成形
（图15~14）泡沫塑料的压制模
九、反应注射成形
在注射成形过程中，伴有化学反应的一些热固性塑料和弹性体加工的新方法。
适于加工聚氨酯、环氧树脂、聚酯树脂、硅橡胶等热固性树脂。
主要用于成形聚氨酯结构泡沫的模制品
如：轿车仪表盘、飞机及轿车座垫等
（图15-15）反应注射成形示意图
模具多用低熔点合金——如锌基合金铸造
§15-3  塑件结构的工艺性
塑料制品结构设计应满足：使用性能、成形工艺两方面要求
使用性能——考虑制件物理、力学性能（如强度、刚度、弹性、绝缘性）
成形工艺——易于成形、模具结构简化
主要以注射成形制品的设计为主。
一、形状
内外表面易于模塑，在开模时，尽可能不采用复杂的瓣合分型与侧抽芯。
模具结构简化，降低制造成本，提高生产率
（图15-16）（图15-17）（图15-18）
二、壁厚
取决于制件使用要求，即强度、结构、重量、电气性能、尺寸稳定性及装配等要求。
工艺上、壁厚均匀、否则易产生翘曲、变形等缺陷
壁厚太厚——外部先冷、内部后冷，产生缩孔、凹陷
壁厚太薄——流动时阻力增大，充模困难
一般情况下，塑料制品壁厚1~6mm
（表15-3）最小壁厚及常用壁厚推荐值
三、脱模斜度
便于将塑件从型腔中取出或从塑件中抽出型芯。
一般取斜度值1°~1.5°（精度要求高可取小值），
形状复杂、不易脱模，可增大到4°~5°。
四、加强筋
主要作用——增加制品强度，避免制品翘曲变形，确保强度、刚度，又不使制品过厚→设加强筋
（图15-19）  （图15-20）（图15-21）（图15-22）（图15-23）
五、圆角
内、外表面转角处，采用圆角过渡→、免制件应力集中，模具的应力集中，且有利于塑料熔体的充模流动
（图15-24）圆角的设计
六、孔
应注意不影响塑件的强度，不增加模具制造的复杂性。
成型孔——型芯（熔体遇型芯分成两股料流）→绕过型芯重新汇合→形成熔接痕（强度↓）
（表15-5）孔的边壁最小厚度。
盲孔成型时型芯应保持一定的径长比。
通孔成形见（图15-25）（图15-26）（图15-27）
（图15-28）异型孔塑件及成形方法。
七、螺纹
可模塑成形，也可机械切削加工成形。
模塑时，螺纹直经不宜太小：外螺纹≥4mm，内螺纹≥2mm
（图15-29）塑件螺纹的正误形状
八、镶嵌零件
满足使用要求，镶嵌金属或非金属（紧固用螺母），注意材料膨胀系数尽可能接近，嵌件周围塑料厚度不宜太薄，否则会因收缩破裂。

§15-4  浇注系统对塑件性能的影响
浇注系统——塑料熔体进入模具型腔的通道。
它的设计对塑件的性能、外观、成形的难易程度有很大的影响。
浇注系统：普通浇注系统——多用、
无流道浇注系统。
一、塑件浇注系统的设计
1．浇注系统的影响因素
好的浇注系统应能使塑料熔体稳定而顺利地进入型腔，同时将注射压力传递到型腔的各个部位，冷却时又能适时凝固，以控制补料时间。
外观清晰、尺寸稳定、内应力小、无气泡、无缩孔、无凹陷的制品——好制品
考虑因素如下：
（1）塑料材料的流动性能
成形时希望塑料熔体粘度小一些，阻力↓→充模↑
此外，压力↑→熔体粘度↑
（2）塑件大小和形状
塑件较大——浇注系统较大
厚壁塑件浇口要避开宽大型腔的部位以避免熔体产生喷射和破裂现象。
（3）塑件外观
便于去除、修整浇口冷凝料
（4）成形设备和模具的影响
注射机的形式与浇口形式有关，模具有一模一腔，一模多腔（一次可生产多个制品），其浇口形式也不同。
（5）成形效率
在保证制品质量前提下，减小浇口尺寸→缩短成形周期，提高生产率
（6）冷料
注射机喷嘴前端的材料被冷却（注射间隔时间），若浇口较小，此冷料影响充模流动，且冷料进入型腔会影响塑件质量，故要考虑储存冷料的措施。
2．浇注系统的组成（图15-30）
主流道——一般圆锥形（α＝2°~4°）L≤60mm
分流道——多型腔模具出现，分别引入各型腔：
圆形、梯形、U型、半圆、矩形（图15-31）
平衡式——精密制件（图15-32）a
非平衡式——一般制件（图15-32）b
冷料穴——容纳前锋冷料，主流道、分流道末端
浇口——整个浇注系统的关键部分
①针点浇口——尺寸很小，（图15-33）
②潜伏式浇口——（图15-34）
③侧浇口——边缘浇口（最常用），各种形状制件（图15-35）
演变形式——扇形浇口（图15-36）
平缝式浇口（图15-37）
④圆环形浇口——（图15-38）成形圆筒形塑件及中间带孔塑件
⑤护耳式浇口——（图15-39）改善小浇口不足
⑥主流道式浇口——（图15-40）
二、浇口位置对塑件性能的影响
在确定浇口位置或分析塑件缺陷时应考虑问题
1．利于塑料熔体填充及补料
浇口位置应有利于塑料充模流动，壁厚不同→位置开在壁厚较大处→流动阻力小，易充型。
（图15-41）（图15-42）
2．防止塑件发生翘曲变形
（图15-43）（图15-44）
3．利于型腔内气体排出
（图15-45）
4．避免喷射造成塑件缺陷
对粘度较低的塑料（如尼龙），当浇口尺寸↓→型腔尺寸↑→易产生喷射和蠕动。（图15-46）（图15-42）
改善——适当选择浇口位置，顺序充满型腔。
5．减少熔接痕、增加熔接强度
熔体遇型芯，分流、重新汇合→熔接痕
浇口数目↑→熔接痕↑
减少熔接痕数目（图15-48）、（图15-49）
增加熔接强度（图15-50）
（图15-51）浇口位置与熔接痕方位

第十六章　橡胶及其模塑成形工艺
橡胶：使用温度处于高弹态的高分子材料，橡胶具有良好的弹性，其弹性模量仅为10MPa，伸长率可达100%～1000%，同时还具有良好的耐磨性、隔音性、绝缘性等。成为重要的弹性材料、密封材料、减震防震和传动材料。
应用：国防、交通运输、机械制造、医药卫生、农业和日常生活等各个方面。
常用的橡胶有天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶是由天然胶乳经过凝固、干燥、加压等工序制成的片状生胶。合成橡胶主要有丁苯橡胶、顺丁橡胶、聚氨酯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。
成形：将生胶经塑炼和混炼后才能使用。橡胶制品是以生胶为基础加入适量配合剂（硫化剂、硫化促进剂、防老剂、填充剂、软化剂、发泡剂、补强剂、着色剂等），然后再经过硫化成形获得。橡胶制品的成形方法与塑料成形方法相似，主要有压制成形、注射成形和传递成形等。
§16-1 常用橡胶材料添加剂
一、硫化剂
二、硫化促进剂
三、填充剂
四、防老剂
五、软化剂
六、其它添加剂
（表16-1）
§16-2 橡胶材料的主要品种
一、天然橡胶
二、合成橡胶
§16-3 橡胶模塑制品的成形
一、橡胶的压制成形
（一）压制成形工艺流程
橡胶的压制成形是将经过塑炼和混炼预先压延好的橡胶坯料，按一定规格和形状下料后，加入到压制模中，合模后在液压机上按规定的工艺条件进行压制，使胶料在受热受压下以塑性流动充满型腔，经过一定时间完成硫化，再进行脱模、清理毛边，最后检验得到所需制品的方法。橡胶压制成形的工艺流程如图16-1所示。
　　　　　　　　　　　　
图16-1  橡胶压制成形的工艺流程
（1）塑炼  在一定的温度下利用机械挤压、辊轧等方法，使生胶分子链断链，使其由强韧的弹性状态转变为柔软、具有可塑性的状态，这种使弹性生胶转变为可塑状态的加工工艺过程称为塑炼。
（2）混炼  为了提高橡胶制品的使用性能，改进橡胶的工艺性能和降低成本，必须在生胶中加入各种配合剂。将各种配合剂混入生胶中，制成质量均匀的混炼胶的工艺过程称为混炼。
（3）制坯  制坯是将混炼胶通过压延或挤压的方法制成所需的坯料，通常是片材，也可为管材或型材。
（4）裁切  在裁切坯料时，坯料质量分数应有超过成品质量分数5%~10%的余量，结构精确的封闭式压制模成形时余量可减小到1%~2%，一定的过量不仅可以保证胶料充满型腔，还可以在成形时排除型内的气体和保持足够压力。裁切可用圆盘刀或冲床按型腔形状剪切。
（5）模压硫化  模压硫化是成形的主要工序，它包括加料、闭模、硫化、脱模和模具清理等步骤，胶料经闭模加热加压后成形，经过硫化使胶料分子交联，成为具有高弹性的橡胶制品。脱模后的橡胶制品经修边和检验合格后即为成品。
（二）压制工艺
橡胶压制成形工艺的关键是控制模压硫化过程。
硫化是指橡胶在一定压力和温度下，坯料结构中的线性分子链之间形成交联，随着交联度的增加，橡胶变硬变韧的过程。
硫化过程的主要参数：硫化温度、压力和时间等。
（1）硫化温度  硫化温度直接影响硫化速度和产品质量。硫化温度高，硫化速度快，生产效率就高。但是硫化温度过高会使橡胶高分子链裂解，从而使橡胶的强度、韧度下降，因此硫化温度不宜过高。橡胶的硫化温度主要取决于橡胶的热稳定性，橡胶的热稳定性愈高则允许的硫化温度也愈高。表5-11是常见胶料的最适宜硫化温度。

表16-1  常见胶料的最宜硫化温度（℃）
胶料类型最适宜硫化温度胶料类型最适宜硫化温度
天然橡胶胶料 143 丁基橡胶胶料 170
丁苯橡胶胶料 150 三元乙丙胶料 160~180
异戊橡胶胶料 151 丁腈橡胶胶料 180
顺丁橡胶胶料 151 硅橡胶胶料 160
氯丁橡胶胶料 151 氟橡胶胶料 160
（2）硫化时间  硫化时间是和硫化温度密切相关的，在硫化过程中，硫化胶的各项物理、力学性能达到或接近最佳点时，此种硫化程度称为正硫化或最宜硫化。在一定温度下达到正硫化所需的硫化时间称为正硫化时间，一定的硫化温度对应有一定的正硫化时间。当胶料配方和硫化温度一定时，硫化时间决定硫化程度，不同大小和壁厚的橡胶制品通过控制硫化时间来控制硫化程度，通常制品的尺寸越大或越厚，所需硫化的时间越长。
（3）硫化压力  为使胶料能够流动充满型腔，并使胶料中的气体排出，应有足够的硫化压力。通常在100~140℃范围压模时，必须施用20~50MPa的压力，才能保证获得清晰复杂的轮廓。增加压力能提高橡胶的力学性能、延长制品的使用寿命。试验表明，用50MPa压力硫化的轮胎的耐磨性能，较压力在2MPa硫化的轮胎的耐磨性能高出10%~20%。但是，过高的压力会加速分子的降解作用，反而会使橡胶的性能降低。
通常，对硫化压力的选取应根据胶料的配方、可塑性、产品的结构等因素决定。在工艺上应遵循的原则为：制品塑性大，压力小；制品厚、层数多、结构复杂，压力大；薄制品压力低。生产中采用的硫化压力多在3.5~14.7MPa之间，模压一般天然橡胶制品常用压力为4.9~7.84MPa之间。
（三）压制模具
橡胶压制模与一般塑料压塑模结构相同，（如图16-2）
橡胶模在设计时注意如下问题：
（1）测温孔  为保证橡胶制品的质量，硫化温度的误差应控制在±2℃范围，因此，在压制模型腔附近必须设置测温孔。在压制过程中，利用水银温度计通过测温孔控制温度。测温孔应设置在型腔附近约5~10mm处。
（2）流胶槽  由于在加料时一般有5%~10%的余量，为保证制品精度，在型腔周围设置流胶槽，流胶槽多为R1.5~2mm的半圆形，在流胶槽与型腔之间开设一些小沟，使多余的胶料排出。

图16-2橡胶压制模
1－定位销　　2－压制模　　3－住塞　　4－流胶槽
二、橡胶注射成形
（一）橡胶注射成形工艺过程
橡胶注射成形的工艺过程：预热塑化、注射、保压、硫化、脱模和修边等工序。将混炼好的胶料通过加料装置加入料筒中加热塑化，塑化后的胶料在柱塞或螺杆的推动下，经过喷嘴射入到闭合的模具中，模具在规定的温度下加热，使胶料硫化成形。
在注射成型过程中，由于胶料在充型前一直处于运动状态受热，因此各部分的温度较压制成形时均匀，且橡胶制品在高温模具中短时即能完成硫化，制品的表面和内部的温差小，硫化质量较均匀。注射成型的橡胶制品具有质量较好、精度较高、而且生产效率较高的工艺特点。
（二）注射成形工艺条件
注射成型工艺条件主要有料筒温度、注射温度（胶料通过喷嘴后的温度）、注射压力、模具温度和成型时间。
（1）料筒温度  胶料在料筒中加热塑化，在一定温度范围内，提高料筒温度可以使胶料的粘度下降，流动性增加，有利于胶料的成形。
一般柱塞式注射机料筒温度控制在70~80℃；螺杆式注射机因胶温较均匀，料筒温度控制在80~100℃，有的可达115℃。
（2）注射温度  一般应控制在不产生焦烧的温度下，尽可能接近模具温度。
（3）注射压力  注射压力是注射时螺杆或柱塞施于胶料单位面积的力，注射压力大，有利于胶料充模，还使胶料通过喷嘴时的速度提高，剪切摩擦产生的热量增大，这对充模和加快硫化有利。采用螺杆式注射机时，注射压力一般为80~110MPa。
（4）模具温度  在注射成形中，由于胶料在充型前已经具有较高的温度、充型之后能迅速硫化，表层与内部的温差小，故模具温度较压制成形的高，一般可高出30~50℃。注射天然橡胶时，模具温度为170~190℃。
（5）成形时间  成形时间是指完成一次成形过程所需时间，它是动作时间与硫化时间之和，由于硫化时间所占比例最大，故缩短硫化时间是提高注射成形效率的重要环节。硫化时间与注射温度、模具温度、制品壁厚有关。表5-12是天然橡胶注射成形与压制成形时间对比表，由表中可以看出注射成形时间较压制成形时间少得多。
表16-2  天然橡胶注射成形与压制成形时间对比表
成形方法料筒温度/℃ 注射温度/℃ 模具温度/℃ 成形时间
注射成形 80 150 175 80s
压制成形 — — 143 20~25min


第十七章  粉末冶金成形工艺
该工艺是研究制造各种金属粉末和以粉末为原料通过成形、烧结和后续处理制取金属材料和制品的技术——与陶瓷工艺类似。故称金属陶瓷法。
它能生产许多其它方法不能生产的材料和制品（如：难熔材料、特殊性能材料、多孔材料），且能获得最终尺寸和形状—→少、无切削加工（效益高）
典型的工艺过程——
原料粉末的制备→粉末物料加压成形（压坯）→压坯加热（低于基体金属熔点）→获得所需制品（物理、力学性能）
现代粉末冶金工艺日趋多样化，如粉末轧制、粉末锻造等，它可制造板、带、棒、丝等各种型材及齿轮、链轮、棘轮，轴套类等各种零件。

§17-1  粉末冶金成形的工艺简介
工艺过程：粉料制备→成形→烧结→烧结后的处理
（图17-1）粉末冶金工艺流程
一、粉料制备
金属粉末是原料，它与粉末冶金制品的性能密切相关。
1．粉末的制造方法
纯金属、非金属、化合物均可
金属粉末的制取方法：机械法——粉碎，化学成分不改变
物理化学方法——改变化学成分或聚集状态
（表17-1）粉末制取方法
应用最广泛的是——还原法、雾化法、电解法
1）还原法——用多种方法还原各种金属化合物，制造金属粉末。
一般使金属氧化物（或氧化物矿石）在高温下与还原剂反应（如：铁粉的生产）
2）雾化法——利用通过特别设计的喷嘴，喷出的气流或水流的能量，粉碎经坩埚漏嘴流出的金属熔液流的一种方法。
缺点——易产生成分偏析、难制得小于300目的细粉
3）电解法——Fe、Ni、Cr、Cu、Zn粉苯
其中Cu、Fe主要（采用电解金属盐的水溶液制造），生产率低，成本高
4）机械粉碎法——靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金机械地粉碎成粉末。
2．粉末的性能
几何尺寸、物理性能、机械性能、化学性能、特殊性能
3．粉末的预处理和混合
粉末在使用前混合均匀，
相同化学成分的粉末的混合——合批
两种以上化学组元混合——混合
混合时，添加组元分类：合金组元、游离组元、工艺性组元
二、粉末成形
将处理过的粉末经过成形工序，得到具有既定形状与强度的粉末体——压坯
普通模压法处成形——最广泛
特殊成型法
1．普通模压法成形
在常温下粉料在封闭的钢模中（刚性模），按规定的单位压力，将粉料制成压  坯的方法（图17-2）
成形过程——称粉、装粉、压制、保压、脱模
2．特殊成形方法
（1）等静压成形——借助于高压泵作用，把流体介质压入耐高压的钢质密封容器，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上，粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。
（2）金属粉末轧制
将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的辊缝中，轧出具有一定厚度的长度连续的、并且强度适宜的板带坯料→烧结、热处理→粉末冶金板带材。
（3）粉浆浇注
金属粉末在不施加外压力的情况下而实现成形，它从陶瓷技术引入。
适合压制性差的脆性粉末。
三、烧结
金属粉末的压坯，在低于基体金属熔点下进行的加热，粉末颗粒之间产生原子扩散、固熔、化合和熔接，致使压坯收缩并强化的过程——烧结。
粉末冶金制品都需烧结。
影响烧结制的因素——加热速度、
烧结温度、
烧结时间、
冷却速度、
烧结气氛
（图17-4）高频真空烧结炉
（图17-5）网带传送式烧结炉
四、后处理
金属粉末压坯经烧结后的处理，叫后处理。
1．侵渍——利用烧结件多孔性的毛细现象，侵入各种液体。
2．表面冷挤压——整形、复压、精压

§17-2  粉末冶金成形的应用
一、机械制造中常用的粉末冶金材料
1．粉末冶金减摩材料
最常用含油轴承材料（含油轴承）
铁基含油轴承：铁—石墨、铁—硫—石墨
铜基含油轴承：QSn6-6-3青铜粉末+石墨粉末
2．粉末冶金铁基结构材料
以碳钢粉末或合金粉末为主要原料，采用粉末冶金法制造结构零件用的制品（优点）
3．粉末冶金摩擦材料
广泛用于机器上制动器与离合器（图17-6）（图17-7），
利用摩擦力传递能量，对摩擦材料性能要求：
①较大摩擦系数
②较好的耐磨性
③足够强度
④良好的磨合性，抗咬合性
二、硬质合金
以WC、TiC等高熔点、高硬度的碳化物为基体，并加入Co（或Ni）作为粘结剂的一种粉末治金材料——一般镶焊在刀体上使用（硬度太高，性脆）
常用：钨钴类硬质合金——牌号YG3、YTG6、YTG8 （ 8含Co量）
   钨钴钛类——YT5、YT15、YT30  （30含TiC量）
   万能（通用类）——YW（硬、万）
[注]新型硬质合金——钢结硬质合金

§17-3  粉末冶金制品的结构工艺性
除满足机械设计的要求外，还应考虑压坯形状是否适合于压制成形，即制品的结构必须适合粉末冶金生产的工艺要求——需对压坯形状进行设计。
设计时应注意：
一、避免模具出现脆弱的尖角
高压工作，各零件有很高硬度，如有不坚固零件，极易折断。
（表17-2）
二、避免模具和压坯出现局部薄壁（表17-3）
三、锥面和斜面需有一小段平直带（表17-4）
四、需要有脱模锥角或圆角（表17-5）
五、适应压制方向的需要（表17-6）

§17-4  常见粉末冶金成形件缺陷分析
（表17-7）

　第十八章陶瓷材料的成形工艺
陶瓷可分为新型陶瓷与传统陶瓷两大类。虽然它们都是经过高温烧结而合成的无机非金属材料，但其在所用粉体、成形方法和烧结制度及加工要求等方面却有着很大区别。两者的主要区别见表18-1。
表18-1  新型陶瓷与传统陶瓷的主要区别
区别传统陶瓷新型陶瓷
原料天然矿物原料人工精制合成原料（氧化物和非氧化物两大类）
成形注浆、可塑成形为主注浆、压制、热压注、注射、轧膜、流延、等静压成形为主
烧结温度一般在1350℃以下，燃料以煤、油、气为主结构陶瓷常需1600℃左右高温烧结，功能陶瓷需精确控制烧结温度，燃料以电、气、油为主
加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和抛光
性能以外观效果为主以内在质量为主，常呈现耐温、耐磨、耐腐蚀和各种敏感特性
用途炊、餐具、陈设品主要用于宇航、能源、冶金、交通、电子、家电等行业
新型陶瓷制品的生产过程主要包括配料与坯料制备、成形、烧结及后续加工等工序。
(1)配料  制作陶瓷制品，首先要按瓷料的组成，将所需各种原料进行称量配料，它是陶瓷工艺中最基本的一环。称料务必精确，因为配料中某些组分加入量的微小误差也会影响到陶瓷材料的结构和性能。
(2)坯料制备  配料后应根据不同的成形方法，混合制备成不同形式的坯料，如用于注浆成形的水悬浮液；用于热压注成形的热塑性料浆；用于挤压、注射、轧膜和流延成形的含有机塑化剂的塑性料；用于干压或等静压成形的造粒粉料。混合一般采用球磨或搅拌等机械混合法。
(3)成形  是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体。成形技术与方法对陶瓷制品的性能具有重要意义，由于陶瓷制品品种繁多，性能要求、形状规格、大小厚薄不一，产量不同，所用坯料性能各异，因此采用的成形方法各种各样，应经综合分析后确定。
(4)烧结  是对成形坯体进行低于熔点的高温加热，使其内的粉体间产生颗粒粘结，经过物质迁移导致致密化和高强度的过程。只有经过烧结，成形坯体才能成为坚硬的具有某种显微结构的陶瓷制品（多晶烧结体），烧结对陶瓷制品的显微组织结构及性能有着直接的影响。
(5)后续加工  陶瓷经成形、烧结后，还可根据需要进行后续精密加工，使之符合表面粗糙度、形状、尺寸等精度要求，如磨削加工、研磨与抛光、超声波加工、激光加工甚至切削加工等。切削加工是采用金刚石刀具在超高精度机床上进行的，目前在陶瓷加工中仅有少量应用。
§18-1 特种陶瓷粉体的性能及制备
一、特种陶瓷粉体的基本物理性能
二、特种陶瓷粉体的制备方法
1、粉碎法
2、合成法
§18-2 特种陶瓷的成形方法
一、浇注成形
浇注成形：陶瓷原料粉体悬浮于水中制成料浆，然后注入模型内成形，坯体的形成主要有注浆成形（由模型吸水成坯）、凝胶注模成形（由凝胶原位固化）等方式。
（一）注浆成形
注浆成形是将陶瓷悬浮料浆注入多孔质模型内，借助模型的吸水能力将料浆中的水吸出，从而在模型内形成坯体。其工艺过程包括悬浮料浆制备、模型制备、料浆浇注、脱模取件、干燥等阶段。
1．悬浮料浆的制备  这是注浆成形工艺的关键工序，注浆成形料浆是陶瓷原料粉体和水组成的悬浮液，为保证料浆的充型及成形性，利于得到形状完整、表面平滑光洁的坯体，减少成形时间和干燥收缩，减小坯体变形与开裂等缺陷，要求料浆具有良好的流动性、足够小的粘度（<1Pa•s）、尽可能少的含水量、弱的触变性（静止时粘度变化小）、良好的稳定性（悬浮性）及良好的渗透（水）性等性能。
新型陶瓷的原料粉体多为脊性料，必须采取一定措施，才能使料浆具有良好的流动性与悬浮性，单靠调节料浆水分是不可能的。
让料浆悬浮的方法一般有两种：
（1）控制料浆的pH值，如Al2O3料浆在pH值为3或12时，可获得较佳的流动性与悬浮能力；
（2）加入适当的有机聚合电解质作分散剂，可降低料浆含水量，提高料浆的流动性与悬浮性能。目前生产上采用加入0.3%～0.6%陶瓷粉体的质量分数的阿拉伯树胶、羧甲基纤维素、聚丙烯酸铵盐、聚甲基丙烯酸铵盐等调制料浆，再配合pH值控制，可降低料浆含水量（料浆中水的质量分数可低达20%～25%，甚至更低），且具有良好的流动性。
料浆通常采用湿法球磨或搅拌调制。最常用的注浆成形模型是石膏模，近年来也有用多孔塑料模的。
2．注浆方法  有实心注浆和空心注浆两种基本方法。另外，为了强化注浆过程，铸造生产的压力铸造、真空铸造、离心铸造等工艺方法也被用于注浆成形，并形成了压力注浆、真空注浆与离心注浆等强化注浆方法。
（1）实心注浆  如图18-1a所示，料浆注入模型后，料浆中的水分同时被模型的两个工作面吸收，注件在两模之间形成，没有多余料浆排出。坯体的外形与厚度由两模工作面构成的型腔决定。当坯体较厚时，靠近工作面处坯层较致密，远离工作面的中心部分较疏松，坯体结构的均匀程度会受到一定影响。
（2）空心注浆  如图18-1b所示，料浆注入模型后，由模型单面吸浆，当注件达到要求的厚度时，排出多余料浆而形成空心注件。坯体外形由模型工作面决定，坯体的厚度则取决于料浆在模型中的停留时间。

图18-1  注浆成形
a)实心注浆  b)空心注浆  c)离心注浆
（3）强化注浆  在注浆过程中，人为地对料浆施加外力，以加速注浆过程进行，提高吸浆速度，使坯体致密度与强度得到提高。强化注浆法有真空注浆、离心注浆和压力注浆等。
注浆成形适于制造大型厚胎、薄壁、形状复杂不规则的制品。其成形工艺简单，但劳动强度大，不易实现自动化，且坯体烧结后的密度较小，强度较差，收缩、变形较大，所得制品的外观尺寸精度较低，因此性能要求较高的陶瓷一般不采用此法生产。但随着分散剂的发展，均匀性好的高浓度低粘度浆料的获得，以及强力注浆的发展，注浆成形制品的性能与质量在不断提高。
（二）凝胶注模成形
凝胶注模成形：首先将陶瓷细粉加入含分散剂、有机高分子化学单体（如丙烯酰胺与双甲基丙烯酰胺）的水溶液中，调制成低粘度、高固相（陶瓷原料粉的体积分数通常达50%以上）含量的浓悬浮料浆，再将聚合固化引发剂（如过硫酸铵）加入料浆混合均匀，在料浆固化前将其注入无吸水性的模型内，在所加引发剂的作用下，料浆中的有机单体交联聚合成三维网状结构，使浓悬浮料浆在模型内原位固化成形。
二、压制成形
压制成形是将经过造粒的粒状陶瓷粉料，装入模具内直接受压力而成形的方法。
（一）造粒
造粒即制备压制成形所用的坯料，它是在陶瓷原料细粉中加入一定量的塑化剂（如4%～6%的浓度为5%的聚乙烯醇水溶液，作用是使本无塑性的坯料具有可塑性），制成粒度较粗（约20目左右）、含一定水分、具有良好流动性的团粒，以利于陶瓷坯料的压制成形。
对于新型陶瓷用粉料的粒度，应是愈细愈好，但太细对成形性能不利。因为粉粒愈细，愈易团聚，流动性愈差，成形时不能均匀地填充模型，易产生空洞，导致坯体致密度不高。若形成团粒，则流动性好，装模方便，分布均匀，有利于提高坯件与烧结体的密度与均匀性。造粒质量好坏直接影响成形坯体及烧结体的质量，所以造粒是压制成形工艺的关键工序。在各种造粒方法中，以喷雾干燥法造粒的质量最好，且适用于现代化大规模生产，目前已广为采用。
喷雾干燥造粒法：将混合有适量塑化剂的陶瓷原料粉体预先调制成浆料(方法同注浆成形浆料的调制)，再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化和热风干燥，出来的粒子即为流动性较好的球状团粒。
（二）压制方法
压制方法主要有干压成形、等静压成形和热压烧结成形等。
1．干压成形  将造粒制备的团粒(水的质量分数<6%)，松散装入模具内，在压机柱塞施加的外压力作用下，团粒产生移动、变形、粉碎而逐渐靠拢，所含气体同时被挤压排出，形成较致密的具有一定形状、尺寸的压坯，然后卸模脱出坯体。
干压成形有单向加压与双向加压两种方式。由于成形压力是通过松散粉粒的接触来传递的，在此过程中产生的压力损失会造成坯体内压力分布的不均匀。单向加压时，这种压力的不均匀分布更明显，而且坯体高度与直径之比愈大，压力分布愈不均匀。压力分布的不均匀，必然造成压坯内密度分布不均匀，压坯上方及近模壁处密度大，而下方近模壁处及中心部位的密度小，如图18-2a所示。双向加压方式是上下压头（柱塞）从两个方向向模套内加压，压力分布的不均匀程度减轻，故压坯密度相对较均匀，如图18-2b所示。不论是单向还是双向加压，如果对模具涂以润滑剂，提高粉粒的润滑性与流动性，压力分布的不均匀程度均会有所减轻，压坯密度均匀性也将有所提高。

图18-2  干压成形的密度梯度
a)单向加压  b)双向加压
为保证坯体质量，干压成形时需根据坯体形状、大小、壁厚及粉料流动性、含水量等情况，控制好成形压力（一般为40～100MPa）、加压速度与保压时间等工艺参数。
干压成形工艺特点：操作方便，生产周期短，效率高，易于实现自动化生产，适宜大批量生产形状简单（圆截面形、薄片状等）、尺寸较小（高度为0.3～60mm、直径5～50mm）的制品。由于坯体含水或其它有机物较少，因此坯体致密度较高，尺寸较精确，烧结收缩小，瓷件力学强度高。但干压成形坯体具有明显的各向异性，也不适于尺寸大、形状复杂制品的生产，且所需的设备、模具费用较高。
2.等静压成形  是利用液体或气体介质均匀传递压力的性能，把陶瓷粒状粉料置于有弹性的软模中，使其受到液体或气体介质传递的均衡压力而被压实成形的一种新型压制成形方法。
等静压成形特点：坯体密度高且均匀，烧结收缩小，不易变形，制品强度高、质量好，适于形状复杂、较大且细长制品的制造。但等静压成形设备成本高。
等静压成形可分为冷等静压成形与热等静压成形两种。
(1)冷等静压成形  在室温下，采用高压液体传递压力的等静压成形，根据使用模具不同又分为湿式等静压成形和干式等静压成形两种。
1）湿式等静压成形  如图18-3a所示，将配好的粒状粉料装入塑料或橡胶做成的弹性模具内，密封后置于高压容器内，注入高压液体介质（压力通常在100MPa以上），此时模具与高压液体直接接触，压力传递至弹性模具对坯料加压成形，然后释放压力取出模具，并从模具中取出成形好的坯体。湿式等静压容器内可同时放入几个模具，压制不同形状坯体，该法生产效率不高，主要适用于成形多品种、形状较复杂、产量小和大型制品。
2）干式等静压成形  在高压容器内封紧一个加压橡皮袋，加料后的模具送入橡皮袋中加压，压成后又从橡皮袋中退出脱模；也可将模具直接固定在容器橡皮袋中。此法的坯料添加和坯件取出都在干态下进行，模具也不与高压液体直接接触，如图18-3b所示。而且，干式等静压成形模具的两头（垂直方向）并不加压，适于压制长型、薄壁、管状制品。

图18-3  冷等静压成形
a)湿式  b)干式
(2)热等静压成形  在高温下，采用惰性气体代替液体作压力传递介质的等静压成形，是在冷等静压成形与热压烧结的工艺基础上发展起来的，又称热等静压烧结。它用金属箔代替橡胶膜，用惰性气体向密封容器内的粉末同时施加各向均匀的高压高温，使成形与烧结同时完成。与热压烧结相比，该法烧结制品致密均匀，但所用设备复杂，生产效率低、成本高。
3.热压烧结  是将干燥粉料充填入石墨或氧化铝模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成形与烧结同时完成，如图18-4所示。由于加热加压同时进行，陶瓷粉料处于热塑性状态，有利于粉末颗粒的接触、流动等过程的进行，因而可减小成形压力，降低烧结温度，缩短烧结时间，容易得到晶粒细小、致密度高、性能良好的制品。但制品形状简单，且生产效率低。

图18-4  热压(成形)烧结示意图
三、热压注成形
热压注成形：利用蜡类材料热熔冷固的特点，将配料混合后的陶瓷细粉与熔化的蜡料粘合剂加热搅拌成具有流动性与热塑性的蜡浆，在热压注机中用压缩空气将热熔蜡浆注满金属模空腔，蜡浆在模腔内冷凝形成坯体，再行脱模取件。
蜡浆的制备是热压注成形工艺中最重要的一环，其制备过程如图18-5所示。

图18-5  蜡浆制备过程示意图
  拌蜡前的陶瓷细粉应充分干燥并加热至60～80℃，再与熔化的石蜡在和蜡机中混合搅拌，陶瓷细粉过冷易凝结成团块，难以搅拌均匀。石蜡作为增塑剂，具有良好的热流动性、润滑性和冷凝性，其加入量通常为陶瓷粉料用量的12%～16%。加入表面活性物质（如油酸、硬脂酸、蜂腊等）的目的是使陶瓷细粉与石蜡更好结合，减少石蜡用量，改善蜡浆成形性能与提高腊坯强度。
热压注成形时，蜡浆温度一般为65～75℃、模具温度为15～25℃、注浆压力为0.3～0.5MPa及压力持续时间通常为0.1～0.2s。
热压注成形的腊坯在烧结之前，要先埋入疏松、惰性的吸附剂（一般采用煅烧Al2O3粉料）中加热（一般为900～1100℃）进行排蜡处理，以获得具有一定强度的不含蜡的坯体。若腊坯直接烧结，将会因石蜡的流失、失去粘结而解体，不能保持其形状。
应用：批量生产外形复杂、表面质量好、尺寸精度高的中小型制品，且设备较简单，操作方便，模具磨损小，生产效率高。但坯体密度较低，烧结收缩较大，易变形，不宜制造壁薄、大而长的制品，且工序较繁，耗能大，生产周期长。
四、其它成形方法
（一）挤压成形
挤压成形是将经真空炼制的可塑泥料置于挤制机（挤坯机）内，只需更换如图18-6所示挤制机模具的机嘴与机芯，便可由其形成的挤出口挤压出各种形状、尺寸的坯体。
挤压成形适于挤制长尺寸细棒、壁薄管、薄片制品，其管棒直径约ф1～30mm，管壁与薄片厚度可小至0.2mm，可连续批量生产，生产效率高，坯体表面光滑、规整度好。但模具制作成本高，且由于溶剂和粘结剂较多，导致烧结收缩大，制品性能受影响。

图18-6 挤压成形模具组合图
（二）注射成形
注射成形是将陶瓷粉和有机粘结剂混合后，加热混练并制成粒状粉料，经注射成形机，在130～300℃温度下注射到金属模腔内，冷却后粘结剂固化成形，脱模取出坯体。
注射成形适于形状复杂、壁薄（0.6mm）、带侧孔制品（如汽轮机陶瓷叶片等）的大批量生产，坯体密度均匀，烧结体精度高，且工艺简单、成本低。但生产周期长，金属模具设计困难，费用昂贵。
（三）流延、轧膜成形
流延、轧膜成形方法用于陶瓷薄膜坯的成形。
1．流延成形  是将陶瓷粉料与粘合剂、增塑剂、分散剂、溶剂等进行混磨，形成稳定、流动性良好的陶瓷料浆，如图18-7所示。流延成形是目前制造厚度小于0.2mm超薄型制品的主要方法，如薄膜电子电路配线基片、叠层电容器瓷片、集成电路组件叠层薄片、压敏电阻、磁记忆片等。
2．轧膜成形  是将陶瓷粉料与一定量的有机粘结剂和溶剂混合拌匀后，通过如图18-8所示。轧膜成形用于制造批量较大的厚度在1mm以下的薄片状制品，如薄膜、厚膜电路基片、圆片电容器等。

图18-7  流延成形

图18-8 轧膜成形
   第十九章复合材料的成形工艺
复合材料：将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起，构成的性能比其组成材料优异的一类新型材料。复合材料由两类物质组成：一类作为基体材料，形成几何形状并起粘接作用，如树脂、陶瓷、金属等；另一类作为增强材料，起提高强度或韧度作用，如纤维、颗粒、晶须等。
复合材料特点：增强材料与基体材料的综合优越性只有通过成形工序才能体现出来，复合材料具有的可设计性以及材料和制品一致性的特点，都是由不同的成形工艺赋予的，因此应当根据制品的结构形状和性能要求来选择成形方法。
复合材料结构：复合材料是由连续的基体相包围以某种规律分布于其中的分散强化相而形成的多相材料。复合材料的成形工艺主要取决于复合材料的基体，一般情况下，其基体材料的成形工艺方法也常常适用于以该类材料为基体的复合材料，特别是以颗粒、晶须及短纤维为增强体的复合材料。
复合材料举例：金属材料的各种成形工艺多适用于颗粒、晶须及短纤维增强的金属基复合材料，包括压力铸造、熔模铸造、离心铸造、挤压、轧制、模锻等。在形成复合材料的过程中，增强材料通过其表面与基体粘接并固定于基体之中，其本体材料的性状结构不发生变化。而与此有显著区别的是，基体材料要经历性状的巨大变化。
§19-1 复合材料的分类
一、塑料（树脂）基复合材料
二、陶瓷基复合材料
三、金属基复合材料
§19-2 树脂基复合材料成形
用作树脂基复合材料的基体有热固性与热塑性树脂两类，其中，以热固性树脂为最常用。
一、热固性树脂基复合材料的成形
热固性树脂基复合材料以热固性树脂为基体，以无机物、有机物为增强材料。常用的热固性树脂有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等，常用的增强材料有碳纤维（布）、玻璃纤维（布、毡）、有机纤维（布）、石棉纤维等。其中，碳纤维常用以增强环氧树脂，玻璃纤维常用以增强不饱和聚酯树脂。热固性树脂基复合材料的成形方法主要有：
1．手糊成形、喷射成形与铺层法成形
（1）手糊成形  先在涂有脱模剂的模具上均匀涂上一层树脂混合液，再将裁剪成一定形状和尺寸的纤维增强织物，按制品要求铺设到模具上，用刮刀、毛刷或压棍使其平整并均匀浸透树脂、排除气泡。多次重复以上步骤层层铺贴，直至所需层数，然后固化成形，脱模修整获得坯件或制品。
其工艺流程如图19-1所示。

图19-1  手糊成形工艺流程示意图
手糊成形特点：操作技术简单，适于多品种、小批量生产，不受制品尺寸和形状的限制，可根据设计要求手糊成形不同厚度、不同形状的制品。但这种成形方法生产效率低，劳动条件差且劳动强度大；制品的质量、尺寸精度不易控制，性能稳定性差，强度较其它成形方法低。手糊成形可用于制造船体、储罐、储槽、大口径管道、风机叶片、汽车壳体、飞机蒙皮、机翼、火箭外壳等大中型制件。
（2）喷射成形  喷射成形是将调配好的树脂胶液（多采用不饱和聚酯树脂）与短切纤维（长度25～50mm），通过喷射机的喷枪（喷嘴直径1.2～3.5mm，喷射量8～60g/s）均匀喷射到模具上沉积，每喷一层（厚度应小于10mm），即用棍子滚压，使之压实、浸渍并排出气泡，再继续喷射，直至完成坯件制作，最后固化成制品，如图19-2所示。

图19-2  喷射成形原理图
1—树脂罐与泵  2—纤维  3—喷枪  4—模具
喷射成形法特点：生产效率提高，劳动强度降低，适于批量生产大尺寸制品，制品无搭接缝，整体性好。但场地污染大，制品树脂含量高（质量分数约65%），强度较低。喷射法可用于成形船体、容器、汽车车身、机器外罩、大型板等制品。
（3）铺层法成形  用手工或机械手，将预浸材料（将连续纤维或织物、布浸渍树脂，烘干而成的半成品材料，如胶布、无纬布、无纬带等）按预定方向和顺序在模具内逐层铺贴至所需厚度（或层数），获得铺层坯件，然后将坯件装袋，经加热加压固化、脱模修整获得制品。铺层成形的制品强度较高，铺贴时，纤维的取向、铺贴顺序与层数可按受力需要，根据材料的优化设计来确定。
应用：高级复合材料已广泛用在航天飞机上，如飞机机翼、舱门、尾翼、壁板、隔板等薄壁件、工字梁等型材。有的已代替金属材料作为主要承力构件。
铺层坯件的加温加压固化方法通常有真空袋法、压力袋法、热压罐法等，
如图19-3所示。
真空袋法产生的压力较小，约为0.05～0.07MPa，故难以取得密实制品。
压力袋法是通过向弹性压力袋充入压缩空气，实现对置放于模具上的铺层坯件均匀施加压力的，压力可达0.25～0.5MPa。

图19-3 铺层加压固化方法示意图
a)真空袋法  b)压力袋法  c)热压罐法
热压罐法是利用金属压力容器——热压罐，对置放于模具上的铺层坯件加压（通过压缩空气实现）和加热（通过热空气、蒸汽或模具内加热元件产生的热量），使其固化成形。
热压罐法可获得压制紧密，厚度公差范围小的高质量制件，适用于制造大型和复杂的部件，如机翼、导弹载入体、部件胶接组装等。但该法能源利用率低，热压罐重量较大、结构复杂，设备费用高。
真空袋法、压力袋法和热压罐还可用于手糊成形或喷射成形坯件的加压固化成形。
2.缠绕法成形  是采用预浸纱带、预浸布带等预浸料，或将连续纤维、布带浸渍树脂后，在适当的缠绕张力下按一定规律缠绕到一定形状的芯模上至一定厚度，经固化脱模获得制品的一种方法。与其它成形方法相比，缠绕法成形可以保证按照承力要求确定纤维排布的方向、层次，充分发挥纤维的承载能力，体现了复合材料强度的可设计性及各向异性，因而制品结构合理、比强度高；纤维按规定方向排列整齐，制品精度高、质量好；易实现自动化生产，生产效率高；但缠绕法成形需缠绕机、高质量的芯模和专用的固化加热炉等，投资较大。
主要用途：大批量成形需承受一定内压的中空容器，如固体火箭发动机壳体、压力容器、管道、火箭尾喷管、导弹防热壳体、贮罐、槽车等。制品外形除圆柱形、球形外，也可成形矩形、鼓形及其它不规则形状的外凸型及某些复杂形状的回转型。
图19-4为缠绕法成形示意图。

图19-4  缠绕法成形示意图
3．模压成形  模塑料、预浸料以及缠绕在芯模上的缠绕坯料等在金属模具中，在压力和温度作用下经过塑化、熔融流动、充满模腔成形固化而获得制品。模塑料是由树脂浸渍短切纤维经过烘干制成的，如散乱状的高强度短纤维模塑料（纤维含量高）、成卷的片状模塑料(片料宽度1.0mm，厚度2.0mm)、块状模塑料（一定重量和形状的料块）、成形坯模塑料（结构、形状、尺寸与制品相似的坯料）等。模压成形方法适用于异形制品的成形，生产效率高，制品的尺寸精确、重复性好，表面粗糙度小、外观好，材料质量均匀、强度高，适于大批量生产。结构复杂制品可一次成形，无需有损制品性能的辅助机械加工。其主要缺点是模具设计制造复杂，一次投资费用高，制件尺寸受压机规格的限制。一般限于中小型制品的批量生产。
模压成形工艺按成形方法可分为压制模压成形、压注模压成形与注射模压成形。
（1）压制模压成形  将模塑料、预浸料（布、片、带需经裁剪）等放入金属对模（由凸模和凹模组成）内，由压力机（大多为液压机）将压力作用在模具上，通过模具直接对模塑料、预浸料进行加压，同时加温，使其流动充模，固化成形。整个模压过程是在一定温度、压力、时间下进行的，所以温度、压力和时间是控制模压成形工艺的主要参数，其中温度的影响尤为重要。压制模压成形工艺简便，应用广泛，可用于成形船体、机器外罩、冷却塔外罩、汽车车身等制品。
（2）压注模压成形  将模塑料在模具加料室中加热成熔融状，然后通过流道压入闭合模具中成形固化，或先将纤维、织物等增强材料制成坯件置入密闭模腔内，再将加热成熔融状态的树脂压入模腔，浸透其中的增强材料，然后固化成形，如图19-5所示。
主要用于：制造尺寸精确、形状复杂、薄壁、表面光滑、带金属嵌件的中小型制品，如各种中小型容器及各种仪器、仪表的表盘、外壳等，还可制作小型车船外壳及零部件等。

图19-5  压注模压成形示意图
（3）注射模压成形  将模塑料在螺杆注射机的料筒中加热成熔融状态，通过喷嘴小孔，以高速、高压注入闭合模具中固化成形，是一种高效率自动化的模压工艺，适于生产小型复杂形状零件，如汽车及火车配件、纺织机零件、泵壳体、空调机叶片等。
４．其它成形方法
（1）层压成形  将纸、棉布、玻璃布等片状增强材料，在浸胶机中浸渍树脂，经干燥制成浸胶材料，然后按层压制品的大小，对浸胶材料进行裁剪，并根据制品要求的厚度（或质量）计算所需浸胶材料的张数，逐层叠放在多层压机上，进行加热层压固化，脱模获得层压制品。为使层压制品表面光洁美观，叠放时可于最上和最下两面放置2～4张含树脂量较高的面层用浸胶材料。
（2）离心浇注成形  利用筒状模具旋转产生的离心力将短切纤维连同树脂同时均匀喷洒到模具内壁形成坯件；或先将短切纤维毡铺在筒状模具的内壁上，再在模具快速旋转的同时，向纤维层均匀喷洒树脂液浸润纤维形成坯件，坯件达所需厚度后通热风固化。
特点：制件壁厚均匀，外表光洁的特点。
应用：大直径筒、管、罐类制件的成形。
（3）拉挤成形  如图19-6所示，将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带，在牵引机构拉力作用下，通过成形模定形，再进行固化，连续引拔出长度不受限制的复合材料管、棒、方形、工字形、槽形、以及非对称形的异形截面等型材，如飞机和船舶的结构件，矿井和地下工程构件等。拉挤工艺只限于生产型材，设备复杂。

图19-6  拉挤（卧式）成形示意图
成形方法可进行“复合”，即用几种成形方法同时完成一件制品。例如成形一种特殊用途的管子，在采用纤维缠绕的同时，还用布带缠绕或用喷射方法复合成形。
二、热塑性树脂基复合材料的成形
热塑性树脂基复合材料由热塑性树脂和增强材料组成。
基体材料：应用较广的有尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、聚砜和聚烯烃类树脂。
增强材料：增强短纤维和各种增强粒子。
热塑性树脂基复合材料成形时，是靠树脂的物理状态的变化来完成的。其过程主要由加热熔融、流动成形和冷却硬化三个阶段组成。已成形的坯件或制品，再加热熔融后还可以二次成形。粒子及短纤维增强的热塑性树脂基复合材料可采用挤出成形、注射成形和模压成形，其中，挤出成形和注射成形占主导地位。
挤出成形是将颗粒或粉状树脂以及短切纤维混合料送入挤出机缸筒内，经加热熔融呈粘流态，在挤压力（借助旋转螺杆的推挤）作用下使其连续通过口模（机头孔型），然后冷却硬化定型，得到口模所限定形状的等断面型材，如各种板、管、棒、片、薄膜以及各种异形断面型材。型材长度不受限制，设备通用性强，制品质量均匀密实。
三、树脂基复合材料设计中需注意的几个问题
设计中需注意的几个问题：
（1）成形工艺的选择应以制品结构和使用受力情况为依据  如为载荷条件非常清楚的单向受力杆件和粱，采用拉挤法成形可保证制品在顺着纤维方向上具有最大的强度和刚度（但在垂直纤维方向是最弱的）；板壳构件可采用连续纤维缠绕工艺以实现各个方向具有不同强度和刚度的要求。也可选取纤维织物或胶布、无纬布、无纬带等预浸料交叉铺叠，或用0°、90°方向的连续纤维组成得到各向异性的制品。
设计:通常将纤维主方向与板、壳的框、肋成45°角，这样有利于发挥纤维的强度，而且在板、壳面内有较高的抗剪能力；对于载荷情况不很清楚或承受随机分布载荷的制品，选用短切纤维模压、喷射等成形方法可以获得近似各向同性的制品。当采用连续长纤维组成时，可按0°、±60°、±45°、90°几个方向铺设。但这类复合材料的强度和刚度较低。
注意：树脂基复合材料中纤维的强度与弹性模量通常要比基体大几十倍，而且复合材料内基体与增强体间的界面结合力又是决定其强度的主要因素之一，所以树脂基复合材料常会出现层间剪切强度、层间抗拉强度及剪切弹性模量低的问题。
举例：一维纤维强化的玻璃钢在纤维方向的抗拉强度很高，可达1×103MPa，但横向强度只有50MPa。如果设计时只知道主方向载荷，很可能设计出的构件在主方向载荷下没有破坏，却在次要的另一方向载荷下发生断裂。这种情况在各向同性的金属材料中通常是不会发生的。因此，对于复合材料，必须在设计以前把实际可能出现的载荷及分布都弄清楚。
（2）构件弯折处应设计过渡圆角  构件弯折处一般容易产生应力集中，树脂基复合材料构件的弯折处还会出现部分树脂聚积和纤维缺胶的现象，这样更容易使构件弯折处的强度降低，圆角的设置可改善强度性质。
（3）采取适当措施提高构件刚度  有些复合材料的弹性模量较低，可采取增加结构截面积（增加厚度）或采用夹层结构等方法提高构件刚度。
（4）尽可能合并结构元件  按设计需要，根据运输、安装的可能与方便，尽可能合并结构元件，将其一次成形成为一个组合件。这样可简化制品结构，减少组成零件和连接零件的数量，减少连接与安装工作量，对减轻制品重量，降低工艺消耗，提高结构使用性能和降低成本是十分有利的。
（5）严格成形操作工艺  树脂基复合材料成形时，具体工艺操作要求比较严格。如果材料组分、配比、纤维排布（或分布）不符合设计要求，操作中形成皱折、气泡或其它缺陷，都将影响制品质量。另外，应当避免那些降低性能的工艺操作（如钻孔和切断纤维），尽量减少和消除性能薄弱区、应力集中区（如孔、沟、槽等）。尤其是热固性树脂基复合材料，其制品一旦出现缺陷，大多会因不可修复而报废，材料也无法回收利用，从而造成浪费。
§19-3 金属基复合材料成形
金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、晶须、颗粒、薄片等为增强体的复合材料。基体金属多采用纯金属及合金，如铝、铜、银、铅、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、镍合金等。增强材料采用陶瓷颗粒、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、陶瓷纤维、陶瓷晶须、金属纤维、金属晶须、金属薄片等。
复合（成形）工艺以复合时金属基体的物态不同可分为固相法和液相法。由于金属基复合材料的加工温度高，工艺复杂，界面反应控制困难，成本较高，故应用的成熟程度远不如树脂基复合材料，应用范围较小。目前，主要应用于航空、航天领域。
一．颗粒增强金属基复合材料成形
对于以各种颗粒、晶须及短纤维增强的金属基复合材料，其成形通常采用以下方法：
（1）粉末冶金法
（2）铸造法  一边搅拌金属或合金熔融体，一边向熔融体逐步投入增强体，使其分散混合，形成均匀的液态金属基复合材料，然后采用压力铸造、离心铸造和熔模精密铸造等方法形成金属基复合材料
（3）加压浸渍  将颗粒、短纤维或晶须增强体制成含一定体积分数的多孔预成形坯体，将预成形坯体置于金属型腔的适当位置，浇注熔融金属并加压，使熔融金属在压力下浸透预成形坯体（充满预成形坯体内的微细间隙），冷却凝固形成金属基复合材料制品，采用此法已成功制造了陶瓷晶须局部增强铝活塞。图19-7为加压浸渍工艺示意图。

图19-7  加压浸渍工艺示意图
（4）挤压或压延  将短纤维或晶须增强体与金属粉末混合后进行热挤或热轧，获得制品。
二．纤维增强金属基复合材料成形
对于以长纤维增强的金属基复合材料，其成形方法主要有：
（1）扩散结合法  该法是连续长纤维增强金属基复合材料最具代表性的复合工艺。按制件形状及增强方向要求，将基体金属箔或薄片、以及增强纤维裁剪后交替铺叠，然后在低于基体金属熔点的温度下加热加压并保持一定时间，基体金属产生蠕变和扩散，使纤维与基体间形成良好的界面结合，获得制件。
图19-8为扩散结合法示意图。
特点：易于精确控制，制件质量好。但由于加压的单向性，使该方法限于制作较为简单的板材、某些型材及叶片等制件。

图19-8  扩散结合法示意图
a)金属箔复合法 b)金属无纬带重叠法  c)表面镀有金属的纤维结合法
（2）熔融金属渗透法  在真空或惰性气体介质中，使排列整齐的纤维束之间浸透熔融金属，如图19-9所示。常用于连续制取圆棒、管子和其它截面形状的型材，而且加工成本低。

图19-9熔融金属渗透法示意图
         a)毛细管上升法  b)压力渗透法  c)真空吸铸法
（3）等离子喷涂法  在惰性气体保护下，等离子弧向排列整齐的纤维喷射熔融金属微粒子。其特点是熔融金属粒子与纤维结合紧密，纤维与基体材料的界面接触较好；而且微粒在离开喷嘴后是急速冷却的，因此几乎不与纤维发生化学反应，又不损伤纤维。此外，还可以在等离子喷涂的同时，将喷涂后的纤维随即缠绕在芯模上成形。喷涂后的纤维经过集束层叠，再用热压法压制成制品。
三．层合金属基复合材料的成形
层合金属基复合材料是由两层或多层不同金属相互紧密结合组成的材料，可根据需要选择不同的金属层。其成形方法有轧合、双金属挤压、爆炸焊合等。
（1）轧合  将不同的金属层通过加热、加压轧合在一起，形成整体结合的层压包覆板。包覆层金属的厚度范围一般是层压板厚度的2.5％～20％。
（２）双金属挤压　将由基体金属制成的金属芯，置于由包覆用金属制成的套管中，组装成挤压坯，在一定压力、温度条件下挤压成带无缝包覆层的线材、棒材、矩形和扁型材等。
（３）爆炸焊合  这是一种焊接方法，利用炸药爆炸产生的爆炸力使金属叠层间整体结合成一体。
§19-4 陶瓷基复合材料成形
陶瓷基复合材料的成形方法分为两类，一类是针对陶瓷短纤维、晶须、颗粒等增强体，复合材料的成形工艺与陶瓷基本相同，如料浆浇铸法、热压烧结法等；另一类是针对碳、石墨、陶瓷连续纤维增强体，复合材料的成形工艺常采用料浆浸渗法、料浆浸渍后热压烧结法和化学气相渗透法。
（1）料浆浸渗法  将纤维增强体编织成所需形状，用陶瓷浆料浸渗，干燥后进行烧结。该法的优点是不损伤增强体，工艺较简单，无需模具。缺点是增强体在陶瓷基体中的分布不大均匀。
（2）料浆浸渍热压成形法  将纤维或织物增强体置于制备好的陶瓷粉体浆料里浸渍，然后将含有浆料的纤维或织物增强体布成一定结构的坯体，干燥后在高温、高压下热压烧结为制品。与浸渗法相比，该方法所获制品的密度与力学性能均有所提高。
（3）气相渗透工艺  将增强纤维编织成所需形状的预成形体，并置于一定温度的反应室内，然后通入某种气源，在预成形体孔穴的纤维表面上产生热分解或化学反应沉积出所需陶瓷基质，直至预成形体中各孔穴被完全填满，获得高致密度、高强度、高韧度的制件。


第二十章  快速成形新工艺
一、RP技术简介
快速原型制造技术，又叫快速成形技术，（简称RP技术）；
英文：RAPID PROTOTYPING（简称RP技术），或
RAPID PROTOTYPING MANUFACTUREING，简称RPM。
快速成型（RP）技术是20世纪九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。
RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。
RP技术的优越性显而易见：它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的"去除法"到今天的"增长法"，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。
二
二、它具体是如何成形出来的呢？
形象地比喻：快速成形系统相当于一台"立体打印机"。

它可以在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下，快速直接地实现零件的单件生产。根据零件的复杂程度，这个过程一般需要1～7天的时间。换句话说，RP技术是一项快速直接地制造单件零件的技术。
三、RP系统的基本工作原理：
RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是"分层制造、逐层叠加"。这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法"。
每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。
RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下：
（1）SLA快速成形系统的成形原理：
成形材料：液态光敏树脂；
制件性能：相当于工程塑料或蜡模；
主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
（2）SLS快速成形系统的成形原理：
成形材料：工程塑料粉末；
制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；
主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
（3）LOM快速成形系统的成形原理：
成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；
制件性能：相当于高级木材；
主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。
（4）FDM快速成形系统的成形原理：
成形材料：固体丝状工程塑料；
制件性能：相当于工程塑料或蜡模；
主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
四、应用RP技术的重要意义
大大缩短新产品研制周期，确保新产品上市时间；
------使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍；
提高了制造复杂零件的能力；
------使复杂模型的直接制造成为可能；
显著提高新产品投产的一次成功率；
------可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更改，避免更改后续工序所造成的大量损失；
支持同步（并行）工程的实施；
------使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行；
支持技术创新、改进产品外观设计；
------有利于优化产品设计，这对工业外观设计尤为重要。
成倍降低新产品研发成本；
------节省了大量的开模费用
快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产，使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场。
总而言之，RP技术是九十年代世界先进制造技术和新产品研发手段。在工业发达国家，企业在新产品研发过程中采用RP技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。当前，市场竞争愈演愈烈，产品更新换代加速。要保持我市产品在国内外市场的竞争力，迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时，积极采用先进的创新手段。RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造。用RP技术快速制造出的的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，非常有利于优化产品设计，从而大大提高新产品开发的一次成功率，提高产品的市场竞争力，缩短研发周期，降低研发成本。快速原型制造技术生产力促进中心的成立为本市企业应用RP技术开展产品创新活动提供了很好的前提条件。
五、设备介绍
1． HRPL系列(SLA)光固化快速成形系统
（1）工作原理：
　　立体平板印刷（光固化）技术使用光敏树脂作为加工材料，工作台浸在光敏树脂液相槽中。当光源扫过液体表面时，触发聚合反应，在工作台上形成一个聚合态二维截面和辅助支撑，然后工作台下降，液态树脂自动流向聚合物表面，再由刮板刮平，在工作台上形成一个厚度均匀的新液态树脂层，至此完成一个加工周期。重复以上过程，新加工的表面总是与已加工层聚合在一起。加工完成后，制件还没有完全固化，一般要经过后续处理才能使用。
（2）系统特点：
　　硬件系统采用国际著名厂家生产的元器件，保证了整机的高可靠性和高性能。
　　1）扫描系统采用国际知名公司产品，具有高速度和高精度的特点。
　　2）激光器采用国外公司半导体泵浦紫外激光器，具有光束模式质量高、结构紧凑、可靠性好的特点。
　　3）配备有温度自动控制系统、激光功率实时反馈系统、振镜零漂实时补偿系统和溢流系统等装置，可靠地保证了制件的精度。

　　功能强大的HRP’2002软件，具有易于操作的友好图形用户界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口。
　　1）独有的STL文件容错切片技术，不需另配纠错软件和人工纠错，提高了工作效率
　　2）自适应切片功能，根据制件切片截面形状自动调整切片高度，在减小台阶效应，提高制件质量的同时，大幅度提高系统的生产效率。
　　3）新的STL文件压缩数据存储格式，使STL文件的大小压缩至原来的1/2∽1/3。
　　4）原型制作实时动态仿真。
　　5）操作简单，极大地简化了操作过程和降低了对操作人员的要求。
（3）系统应用：
　　1）可直接制作各种树脂功能件，用作结构验证和功能测试。
　　2）制件精度很高，适合于制造精细结构的零件
　　3）表面质量好，可直接制造塑料件，制件可呈透明状，非常美观。
　　4）制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和气化模等。

2.HRP系列(LOM)薄材叠层快速成形系统
（1）工作原理：
　　薄层材料（纸、塑料薄膜或复合材料）单面涂敷一层热熔胶，通过热压装置使材料表面达到一定温度，薄层之间粘合在一起。随后位于其上方的激光器按照CAD模型切片分层所获得的数据，将薄层材料切割出零件该层的内外轮廓。激光每加工完一层后，工作台下降相应的高度，然后再将新的一层薄层材料叠加在上面，重复前述过程。如此反复，逐层堆积生成三维实体。非原型实体部分被切割成网格，保留在原处，起支撑和固定作用，制件加工完毕后，可用工具将其剥离。
（2）系统特点：
　　硬件系统采用国际著名厂家生产的元器件，保证了整机的高可靠性和高性能。
　　1）X-Y扫描单元采用交流伺服驱动和滚珠丝杆传动，升降工作台为4柱导向和双滚珠丝杆传动（专利），保证了系统的高精、高速和平稳传动；
　　2）无拉力叠层材料送进系统（专利），送进可靠，速度高，材料利用率高；
　　3）抽风排烟装置采用随动式吹风和强力抽排烟装置（专利），能及时充分地排出烟尘，防止烟尘污染；
　　4）采用国际著名的美国公司CO2激光器，稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳定、切割质量好、并且可更换气体，具有较高的性能价格比，并配以全封闭恒温水循环冷却系统。

　　功能强大的HRP’2002软件，具有易于操作的友好图形用户界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口。
　　1）STL文件识别及重新编码；
　　2）独有的容错及数据过滤切片技术，大幅提高工作效率；
　　3）STL文件可视化，具有旋转、平移、縮放等图形变换功能；
　　4）原型制作实时动态仿真；
　　5）独有的变网格划分技术；
　　6）数据拟合，速度规划，速度预测，高速插补控制，任意组合曲线的高速、高精连续加工，此为本公司独有的技术；
　　7）激光能量随切割速度适时控制，保证了切割深度和线度均匀，切割质量好；
　　8）激光光斑直径随内外轮廓自动补偿，提高了制件的精度；
　　9）系统故障诊断，故障自动停机。
（3）系统应用：
　　1）可直接制作纸质功能件，用作结构验证和功能测试。
　　2）成形速度快，精度较高，运行费用比较低。
　　3）经过技术创新，不仅可制作尺寸较大的制件，也可制作复杂薄壁件,工业应用面广；
　　4）可以直接制作翻砂用模型，替代传统木模。
　　5）可以用转移涂料技术制造铸造用金属模。
　　6）制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、石膏模、合金模、电铸模、环氧树脂模和气化模等。
3.HRPS系列(SLS)粉末烧结
（1）工作原理：
　　选择性激光烧结，是使用粉状固体材料（如石蜡，聚碳酸脂，石英砂，合金粉等）进行加工的一种快速成型方法。它在储料缸中存放加工原料，在工作缸中完成原型加工。制件加工时，储料缸首先上升一个层厚，通常为0.1到0.3毫米，工作缸下降一个层厚，铺粉机构把粉状材料从储料缸铺向工作缸，再由激光在工作缸中选择性扫描整个二维截面，激光扫描过的部分粘接成一个整体，没有扫描过的部分仍然保持粉状结构。截面完成后，再进行下一个工作周期，直到制件加工完成。
（2）系统特点：
　　硬件
　　1）扫描系统采用国际著名公司的振镜式动态聚焦系统，具有高速（最大扫描速度为4m/s）和高精（激光定位精度小于50um）的特点；
　　2）激光器采用美国CO激光器，具有稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以全封闭恨温水循环冷却系统；
　　3）新型送粉系统（专利）可使烧结辅助时间大大减少；
　　4）排烟除尘系统能及时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响；
　　5）全封闭式的工作腔结构，可防止粉尘和高温对设备关键元器件的影响。
　　功能强大的HRPS’2002软件，具有易于操作的友好图形用户界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口。
　　1）切片模块：具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用户选用）两种模块；
　　2）数据处理：具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能；
　　3）工艺规划：具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）；
　　4）安全监控：设备和烧结过程故障自诊断，故障自动停机保护。
（3）系统应用：
　　1）可直接制作各种高分子材料功能件，用作结构验证和功能测试，并可用于装配样机。
　　2）可用的粉末材料多样化，如多种高分子粉末、金属粉末、陶瓷粉末和复膜砂等，不同材料的制件具有不同的物理性能，满足不同的需要。
　　3）制件可直接用作精密铸造用蜡模和砂型、型芯。
　　4）该成形方法无需支撑，材料利用率高。
　　5）制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和气化模等。
4．HRE系列三维反求激光扫描系统
（1）工作原理：
　　针对一现有的样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地将其轮廓坐标量得，并加以构建曲面，编辑修改后，传至一般的CAD/CAM系统，再由CAM产生刀具的NC加工路径送至CNC加工机械制作所需的模具，或者送到快速成型机（RP）将样品制作出来。
（2）系统特点：
　　1）高效率。→采用先进的线激光扫描技术，快速准确地取得工件表面三维数据，扫描速度达500mm2/s。采用双CCD取数，从不同方位角度取数，大大地减少了测量死角，极大地提高了测量的速度和测量数据的完整与准确性。
　　2）软件误差补偿。→从软件上可以进行激光平面误差补偿，减少测量噪声，进一步提高测量精度，采用Window视窗风格操作环境，简单易用。
　　3）低成本。→采用完全自主开发的先进技术和执行严格的生产管理机制，使得本机型具有极高的性价比。
（3）系统应用：
　　1）复杂实物零件的检测、重构。→本系统特别适合具有自由曲面、不规则轮廓的零件以及柔软工件（探针式测量工具无法做）的检测和重构。
　　2）工业产品设计。→采用反求技术，可以最大限度的利用现有设计，快速的吸收先进的设计思想，快速的进行工业产品设计和产品修改，极大的缩短设计开发周期。
　　3）快速原型应用。→利用激光扫描完成后，直接输出STL文件进行RP快速成型，这一先进手段，极大的缩短了产品制造时间。

5．HZK系列真空注型机
系统应用：
　　1）利用真空注型机可以经济快捷地小批量制作塑料产品，可缩短新产品开发周期、减少开发费用、降低开发风险。
　　2）可以对各种原型（快速成形制作的原型件或现有的木材、塑料、金属材质等零件）制作硅橡胶模具，并在真空注型机中快速浇注出无气泡、组织致密的塑料产品。产品表面可作喷漆着色处理。
　　3）可制作形状复杂、壁厚小至0.5-1mm的产品，还可方便地在硅橡胶模具中嵌插金属件（如螺钉、螺母等）或塑料件，与产品浇注成一体。
　　4）真空注型机操作简便，易于掌握。
　　5）可广泛用于汽车、摩托车、家电、电子电器等产品零件的开发制作，特别适用于式样更新频繁的玩具、装饰品等产品的制作。
66．SLA立体光固化成形系统

立体光固化成形（stereolithography apparatus,SLA）是最早发展的快速成形（rapid prototyping,RP）技术。自从1988年3D SYSTEM INC公司最早推出SLA商品化快速成形机以来，SLA已成为最为成熟而广泛应用的RP典型技术之一。
SLA快速成形技术是根据某些材料在特定波长的激光照射下具有可固化性的特点，采用紫外（UV）激光为光源，计算机按分层信息精密控制扫描振镜组，精确定位、扫描，在光敏树脂液面聚合、固化形成一个固化层面，顺序逐层扫描固化，直至完成整个零件的成形。
SLA 250/50快速成形机使用He-Cd激光为固化光源，采取了精确定位和扫描速度规划技术、优化的支撑结构设计以及新近发展的ZEPHYR刮板敷料技术等，使得在充分保证制件精度和表面质量的同时，提高了制件速度。新型树脂材料的应用，使得在制件的质感、材料稳定性方面都有了很大的提高。SLA工艺是目前公认的尺寸精度和表面质量最好的RP工艺。
中心配备有3D System Inc.的SLA 250/50型快速成形机，选用新型光敏树脂材料。制件具有良好的尺寸精度、表面质量和外观质感。特别适合于电子通讯产品、电子元器件、仪表外壳等精密件样品制作，以及要求透明质感零件样品制作以及快速制模用原型制作。SLA工艺典型应用如手提电话样品及快速制模用原型制作，电子接插件、工艺饰品、异形灯具等样品及原型制作。
7．SLS快速自动成形系统
SLS激光快速自动成形系统的台面尺寸
Φ300×400mm 大件可拼装
SLS激光快速自动成形系统的优点及工作原理
SLS方法是由美国The University of Texas Austin大学发明，并由美国DTM公司首先推向市场。其实现过程如图1所示：

与其它RP工艺方法相同，SLS系统成形的基本原理也是用积分法制造三维实体。它从零件的CAD模型出发，将其"切"成设定厚度的一系列片层（这些片层按顺序累积起来仍是所设计零件的形状）。然后，将上述每一片层的形状信据输入成型机中，据此信息，激光束作用于在选定区域上的粉末，烧结出当前层，并同时连接到前一层，最终堆积而成实体。
设备采用的原料
与其它成型方法比较，SLS方法的优点之一就是原料选择广泛。原则上，任何受热后粘结在一起的粉末均可用作SLS的原材料，例如塑料、陶瓷、金属粉末及其复合粉。但由于受到激光能量以及其它条件的限制，目前，AFS-300快速自动成型机主要采用ABS工程塑料粉末、石蜡粉末、聚苯乙烯粉末作为原材料。
设备运作的数据来源
成型系统的原始数据主要有两种来源：其一是设计人员的原始三维CAD设计；另外一种则是已存在的实物,如手工模型、机器零件、工艺品等。通过三维数字化仪，将这些型体信息采集进计算机，处理后得到快速成型系统可用的输入数据。
输入快速成形系统的零件型体资料，必须能够准确描述设计的或复制的三维实体。迄今为止，快速成形领域并没有标准的零件文件格式。由美国3D Systems公司开发的STL文件格式被工业界认为是目前的准标准。
就AFS-300成形机而言，它并不直接接受STL文件，而是经Magic RP软件对STL文件进行切片处理之后，再输入成形机进行加工。
设备成形特点与主要用途
1）成形零件的复杂程度高
由于SLS系统的原料是固体粉末，成形时，未烧结的松散粉末作了自然支架，因此特别适合于制造含有悬壁结构(Overhangs)、中空结构(Hollowed areas)、以及槽中套槽(notches within notches)结构的零件。
2）材料范围宽、成本低
如前所述，目前AFS-300系统的原料已包括ABS、PS、及蜡粉三种。另外，在制件成型之后，未烧结的粉末还可回收利用，因此大大提高了材料的利用率，从而降低了制件的成本。
3）应用范围广
由于成型材料的多样化，使得AFS-300系统适用于多种领域，如设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和芯等。
8．LOM快速自动成形系统
LOM-2030H激光快速自动成形系统的台面尺寸
550×800×508mm 大件可拼装

成形材料
象其它RP方法一样，LOM也是用分层制造逐层叠加的方法来制造三维实体模型或样件，其使用的原材料为预涂覆热敏胶的纤维纸，厚度有0.1mm和0.2mm两个规格，其制件的强度相当于优质木材的强度。正在开发中的材料还有塑料、复合材料以及金属材料。

数据处理过程
三维CAD实体模型及部分逆向工程测量数据可通过stl 格式文件将产品数据直接传递给快速成型系统。LOM系统的数据传递流程见图：

后处理工艺
制件完成后，LOM系统自动停机。这时需用人工方法将制件从工作台上取下。去掉边框后，仔细将废料剥离就得到所需的制件。然后抛光、涂漆，以防零件吸潮变形，同时也得到了一个美观的外表。
LOM系统的特点
LOM系统以其制做速度快，制造成本低的特点而在RP市场占据了一席之地。它特别适合于制做大型实体零件，象天津内燃机研究所引进的LOM-2030H，可一次制做800×550×508（mm）的零件。其制件强度略高于一般木材，可广泛用于制做各类新产品模型。LOM制件还可直接作为铸造木模使用，因而在铸造领域得到了大量应用。

六、案例分析
案例分析一
为了满足新的排放法规，长安汽车公司正在加紧研制他们的电喷发动机方案，为此设计了几种不同的进气歧管方案。为了缩短研制周期，尽快将新产品推向市场，长安汽车公司委托本中心用RP技术快速制做了产品样件。长安汽车公司发动机研究所将此样件装在了发动机上进行了必要的性能试验，采集了不同设计方案的性能对比数据，并选定了最佳方案。之后，我们按照长安厂的通知将最佳方案的三维CAD模型数据通过Internet网传到对方指定的模具厂进行量产模具的加工。整个过程不超过一个月。长安公司通过应用RP技术使新产品的设计方案得到了设计验证、装配验证、功能验证和方案优化，而且大大缩短了新品的研制周期。下面是一个应用效益对比表：
对比项目 RP方法传统方法
研制周期一个月四个月
成本核算相当相当
精度高低
风险无大

长安公司用本中心的RP系统制做了两个方案的制件仅花费1万余元，却使其新产品的上市时间提前了约3个月，其带来的效益自然是相当可观的。

案例分析二
天津爱德科技实业公司正在开发一款电动自行车，需要对塑料覆盖件进行仔细的设计和验证,中心先用三维CAD软件协助产品开发技术人员完成了细致的设计和无纸装配验证；然后用快速成型系统制作了一套样件，仅用4天时间，花费不过几千元。爱德公司技术开发人员用此套样件进行了设计验证、外观验证和实物装配验证，不仅提高了设计质量、缩短了研发周期，更为重要的是降低了开模风险，可确保一次开模成功。

案例分析三
天大天财股份有限公司计划新开发一种税控收款机，为了控制风险、提高新产品上市的一次成功率，需要进行充分的市场调研，并提前进行市场宣传，接受用户订货。同时，对产品的外观设计要进行科学的评估；对整个系统要进行充分的实验验证。为了缩短研发周期、争取新产品尽快上市，天财公司委托本中心用RP技术制做了收款机的外壳一套，仅用了一周的时间，花费不过几千元。天财公司决策层用此首版样件对新品的设计方案和外观进行了讨论和评估，并提出了修改方案；市场调查部门用此首版样件去征求用户意见，从而确保了新产品上市的一次成功率；公司销售部门用此首版样件提前进行了市场宣传，使并行工程的实施落到了实处。更为重要的是这项新技术的应用改变了新产品研发人员的传统的开发模式和时间概念。
案例分析四
某韩国著名企业新近开发了一种可视电话，原先的快速成形都是在其本国进行，这次的项目非常紧迫，稍有耽搁就有被其它企业的新产品所替代的危险，为节俭成本，加快研制速度，缩短开发周期，公司遂将快速成形工艺转移至我中心来做，结果取得了意想不到的结果，除了预期的效果全部达到外，我中心的工作人员还就其公司在设计方面出现的问题给予了合理化建议和修改，并被采纳。公司表示，今后将会将其开发的新产品全部转到我中心来做。

案例分析五
为了跟上信息时代的飞速发展，摩托罗拉公司加紧对新产品的开发，正是运用了快速成形工艺，才使得五彩纷呈的新款手机在很短的时间内孕育而生，为抢先占领市场赢得了宝贵的时间，并将在美国本土进行的快速成形手版样件验证工作移到中国来进行，大大缩短了开发周期。

案例分析六
用LOM激光快速成形系统为某研究所柴油机研究室制造了新开发的四缸高速车用柴油机曲轴一件,从三维CAD实体造型到得到该曲轴的实体模型仅用三天时间，缩短了新产品开发周期，为提前上市创造了条件。

337900398 · 发表于 2020-5-7 19:31:54

好长啊

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