基于叠层实体快速成型的电弧喷涂制模技术

ｌ 激 光 器 ２ 压 辊 ３ 纸 豺 ４ 材 料 送 进 辊 筒 一 一 ～ 一 ５升 降台 ６ 叠层 ７ 一 一 一当前 叠 层 轮 廓 线
图 １ 叠 层 实 体 制 造 技 术 的原 理 简 图
Ｆｉ． Ｐｒ ｃｐｅｏ ｍｉａｅ ｊｃ ｎ ｆｃ ｕｉｇ ｇ１ ｉ ｉｌ ｆ ｎ Ｌａ ｎ ｔｄＯｂｅ ｔＭａ ｕａ ｔ ｒｎ
中国材料科技 与设 备（ 双月刊）
基于叠层实体快速成型 的电弧喷涂制模技术
２１ 年 ・ ３ ０１ 第 期
基 于 叠 层 实 体 快 速 成 型 的 电 弧 喷 涂 制 模 技 术
张 蓉 ，梁 靖 ， 玛 丽 王
（ 南工学院 ， 南 湖 湖 衡阳 ４ １０ ） ２ １ １
摘 要 ： 绍 了基 于叠 层 实体 快 速 成 型 的 电弧 喷 涂 模 具 技 术 的基 本 原 理 及 特 点 ， 详 细 地 介 绍 了叠 层 实 体 快 速 成 型 的 电弧 介 较
Ａｒ － Ｓ ｒ ｙ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｐ ｏ ｅ ｓ ｆ ｗ ｃ ｐ ａ ｉｇ ｔｃ ｎ ｌｇ ｒ ｃｓ ｌ ｏ
基金项 目： 衡阳市科学计划资助项 目（ ０ ９ Ｊ ２ ； ２ ０ Ｋ ２ ） 湖南省大学生研究性学 习和创新性实验计划 （ 湘教通 ［Ｏ ９ ２ ４￣－ ４ ７ ２ Ｏ］ ４ － ０ ）
气 的作 用 下 ， 熔 融 金 属 雾 化 并 喷 射 到 样 模 表 面 至 一 定 厚 将
度， 一层一层地相互叠加 、 堆积从而形成高密度 、 高结合 强度 的金属喷涂层 ， 即模具 型腔的壳 体（ 或实体 ）， 这层壳体 的内
壁 形 状 与 样 模 表 面 完 全 吻 合 ， 而形 成 所 需 的模 具 型 腔 。 喷 从
喷涂金 属填充 ， 而造成 喷涂缺陷 ，此外 ， 从 如果在 同一个 方
向喷 涂 时 间 过 长 ， 涂 层 会 厚 度 不 均 匀 ， 涂 层 边 缘 的 阴 影 喷 在 处 金 属 壳 可 能产 生 裂 隙 。为 了 避 免上 述 缺 陷 ， 以旋 转 模 型 可
或 调 整 喷 涂枪 。
流 的实 验 范 同 内 ， 涂 电 流越 大 ， 喷 结合 强度 就 越 高 。这 是 由 于 随 着 电 弧 电流 的 增 大 ，热 源 的 功 率 提 高 ，对 微 粒 的 加 热
提高模具的使用 寿命 。 在试验 中一 般 聚氨 酯树 脂 模 型的 喷涂 层 厚度 要求 为 ｌ ｍｍ ， 注射模具的喷涂层厚度 ３ 。如果在样模的 凹槽处 ｍｍ
＊作 者 简 介 ： 张蓉 （９ ７ ）女 ， 教 授 ， 要 从 事 材料 加 工及 快 速制 模 方 面 的研 究 。Ｅ－ｍａｌｉｅｉ５ ０ ｓ ａ ｃｍ １６ － ， 副 主 － ｉ ｕ ｚ ６ ＠ ｉ ．ｏ ： ９ ｎ
２１ 年 ・ ３ ０１ 第 期
材 料 综 述
中 国材 料 科 技 与设 备 （ 月 刊 ） 双
度选定 ， 网格愈小 ， 容易剔 除废料 ， 愈 但花 费的时 间较长 ， 否
则 反 之 。可 升 降 工 作 台 支 撑 成 型 的 工 件 ， 在 每 层 成 型 之 并 后 ， 低 一 个 材 料 的 厚 度 （ 常 为 ０ １ Ｏ ２ ｍ） 以便 送 进 、 降 通 ．～ ． ｒ ， ａ 粘 合 和 切 割 新 的 一 层 材 料 。 数 控 系 统 执 行 计 算 机 发 出 的指 令 ， 制 材 料 的送 进 ， 后 粘 合 、 割 ， 后形 成 三 维原 形 。 控 然 切 最
３ ３浇 注背 衬 材 料 ．
当喷涂形成壳体后 ， 必须对 金属壳进 行加 固。首先 ， 模 具必须有框架结构 ， 一般 用模具钢制 作 ； 在框 架和金属 壳之
间 浇注 填 充 材 料 ， 填 充 材 料 的 热 膨胀 率 要 与 金 属 壳 和 框 架 且
提高压缩空气压力 和改善压缩空气 的质量是提高 电弧喷涂
涂形成 的金属壳体与基体材料结合成一整体 ， 再配以其 它部
件， 即组成一付完整的模具 。图 ２ 基于叠层 实体快 速原型 是
４
的电弧喷涂制模工艺原理 图。这种制模方法＿ Ｔ艺简单 ， 容易 掌握 ， 模具制作周期短 ， 费用 低 ， 以用来制 造注 射模 、 可 吹塑 模、 拉伸模 、 玻璃模等 ， 电弧喷涂制模 技术制造模具 的成本和 周 期 与其 它制 模 方 法相 比具 有 明显 的优 势 。
涂 层 质 量 的 重 要途 径 。
的热膨胀率相差较 小 。选择基 体材料 ，主要是 根据模具 的 ’ 工作条件和喷涂层的材 质不 同，选择不 同的材 料和工艺 方 法 。模具对基体 材料 的要求是 ： 具有一定 的强度 ， 能满足模 具工作状态的受力要求 ， 易于成型 。例如环氧树脂具有 流动 性好 、 粘结力强 、 固化 收缩 性小 、 机械性能 高等优点 ， 能与 固
真实形状 ， 模具将失 去精度 。因此 ， 速制模 技术 的关键 工 快
序 是 ： 型制 造 、 弧 喷 涂 和 金 属 喷 涂 层 加 固 三 方 面 。 原 电
２ 电弧喷涂制模技 术 的原理和特 点
电弧喷涂制模技术是利 用 电弧喷枪将 两根制模 专用金
属 丝 在 喷 枪 前 短 路 形 成 电弧 ， 属 丝 经 电 弧熔 化后 在 压 缩 空 金
收和存储工件的三维模型 ， 沿模型 的高度提取一系列 的横 截
面 轮 廓 线 ， 出控 制 指 令 。原 材 料 存 储 及 送 料 机 构 将 存 于 其 发
中 的原 材 料 （ 底 面 有 热 熔 胶 和 天 加 剂 的纸 ） 逐 步 送 至 工 作 如 ，
台的 上 方 。热粘 压 机 构 将 一 层 层 材 料 粘 合 在 一起 ， 光 切 割 激
３ 电弧 喷 涂 制模 工 艺 过 程
电弧喷涂 制模 技术 的工 艺过 程大致 可分 为模 型预处 理、 喷涂 、 浇注背衬材料和脱模处理 ４个部分 。
１ 叠层 实体 快速 制作 零件 原 型
叠层实体制造技术 （ Ｏ 是 几种最成 熟的快速 成型制 Ｌ Ｍ）
造 技 术 之 一 。叠 层 实 体 制 造 技 术 多 采 用 纸 材 ， 本 低 廉 ， 成 制 造 精度 高 ， 且 制 造 出 来 的 木 质 原 型 具 有 外 在 的 美 感 和 一 些 而 特殊 的优 点 。 图 １ 叠 层 实 体 制 造 技 术 的原 理 简 图 ， 由计 为 它 算机 、 材料存储及送料 机构 、 粘压 机构 、 光 切割 系统 、 原 热 激 可 升 降 工作 台 、 控 系统 和 机 架 组 成 。其 中 ， 算 机 用 于 接 数 计
喷 涂制 模 工 艺过 程 ， 进 一 步 开展 此 项 技 术 的 应 用 打 下 基 础 。 为 关 键Leabharlann Baidu词 ： 层 实体 成 型 ；快速 制 模 ；电弧 喷 涂 叠 中 图分 类 号 ： ＴＨｌ５ １ 文献标识码 ： Ａ
成形之后能剔除废料 ， 网格 的大 小 根 据 被 成 形 的 形 状 复 杂 程
３ １模 型 预 处 理 ．
模 型 预 处 理 主 要 包 括 ： 作 模 具 原 型 、 制 反模 、 处 理 制 翻 预 反 模 等 。模 具 原 型 （ 组 合 样 模 ） 来 源 有 两 个 ： 快 速 原 即 的 ① 型； ②产 品原 型 。组 合 样 模 的设 计 取 决 于 产 品 原 型 的 形 状 尺
系 统 按 照 计 算 机 提 取 的横 截 面 轮廓 线 ， 一 在 工 作 台上 方 的 逐
材 料 上 切割 出轮 廓 线 ， 将 无 轮 廓 区 切 割 成 小 方 网 格 以便 在 并
图 ２ 基于 Ｌ ＯＭ 电弧 喷 涂 快 速 模 具 制 造 工 艺 流 程 图
Ｆ ｇ ２ Ｌａ ｎ ｔｄＯｂｅ ｔ ａ ｕ ａ ｔｒｎ ｏ ｉ． ｍｉａｅ ｊｃ ｎ ｆｃｕ ｉｇｆ ｕ Ｍ
０ 前 言
叠 层 快 速 成 型技 术 与 电弧 喷涂 技 术 相 结 合 ， 实 现 模 具 来 的快 速 制 造 ， 短 新 产 品 的 开 发 周 期 ， 一 步 赢 得 市 场 。 利 缩 进 用 叠 层 实体 快 速 成 型 原 型 零 件 ， 采 用 电弧 喷涂 方 法 在 原 型 再 零 件 表 面 喷涂 １ ｍｍ 的 金 属 壳 ， 属 壳 应 紧密 地 包 裹 在 模 ～３ 金 型 表 面 ， 能 过 早 与 模 型 分 离 ， 则 金 属 壳 不 能 反 映 模 型 的 不 否
寸 及 安 装 要 求 ， 该 试 验 中 我 们 采 用 纸 质 材 料 成 型 产 品 在
原型 。
４ １电弧 功 率和 送 丝速 度 ．
电弧 喷 枪 的 电源 功 率 应 当 与熔 丝 电 压相 配 ， 般 通 过 一 调节 熔 丝 电压 调 整 电 弧 喷 涂 功 率 。当 熔 丝 电压 与送 丝 速 度
影响喷涂生 产率 的主要 因素 ，可依 据具体 喷涂情 况而 定。 喷涂金属颗粒从 电弧喷枪 射出时是成散 射状 ， 如果模 具较
小 ，而 喷涂 电 流 较 大 ， 么 很 多 金 属 颗 粒 就 喷 射 不 到 模 具 那 上 ， 成 材 料 的 浪 费 ， 此应 适 当调 小 喷 涂 电流 。在 喷 涂 电 造 因
与模 具 的型 腔 处 ， 由于 在 凹 槽 表 面 边 缘处 金 属喷 涂 层 的 不 断
程 度 也 就越 高 ， 而 使 涂 层 结 合 强 度 提 高 。所 以 在 保 证 电 从
弧电流 与送丝速 度相 匹配的前提 下 ， 尽量选用 大 的喷涂 应
电流。
沉 积 ， 得在 凹槽 底 部 完 全 充 满 金 属 涂 层 前 ， 人 口 已经 被 使 其
４ ３喷 涂 空气 压 力 ．
电弧喷涂快速制模是利用压缩空气 ， 将融化 的金属雾化 成 微 粒并 喷射 到 样 模 表 面 。对 于 低熔 点 金 属 ， 由于 表 面 张力
较 小 ， 化 效 果 不如 表 面 张力 大 的 金 属 ， 高 速 气 流 的 冲击 雾 在 下 成不 规 则 形 状 ， 行 阻 力较 大 。而 高熔 点 金 属 的表 面 张力 飞 较 大 ， 现 在粒 子 雾 化 效 果强 ， 子 多 呈 球形 ， 表 粒 粒子 飞行 阻 力 小 而速 度 高 。因此 ， 空气 压 力 直 接 影 响 电弧 喷 涂过 程 中 的熔 滴 粒 子 喷 射 速 度 ， 影 响丝 材 端 部 电 弧燃 烧 的 稳定 性 。 因此 还
４ ２喷 涂 电流 ．
喷 涂 电 流主 要 影 响 喷 嘴 内的 热 量 ，从 而 影 响 挥 发 出 来 金 属 颗粒 自身 的 热 量 以及 所 成 金属 壳 的 热 量 。 它 的 大 小 是
要的环节 。喷涂前一定要试喷 ， 以检查喷涂设备运行是否 良 好和调整喷涂工艺参数以便得 到最佳 的涂层 。开始喷涂时 ，
采用 小 的功 率 ， 止 金 属 沉 积 不 均 匀 ，导 致 翘 曲 、 裂 等 。 防 开 当涂 层 厚 度 达 到 ０ ５ ． ｍｍ 时 ， 加 喷 涂 功 率 。这 样 可 以 方 便 增 地 制 造 “ 合 金 ” 层 ， 涂 层 与 基 体 结 合 强 度 可 达 伪 涂 喷
２． Ｍ Ｐ ， 种涂 层 具 有 良好 的 耐磨 性 和 导 热 性 ， 以显 著 ５ ６ ａ这 可
匹配时 ， 电弧稳定 ， 金属熔滴较 均匀 ， 金属射 流集 中， 发散 程
度 较 低 。通 过实 验 ， 佳 的 起 弧 电压 为 ３Ｖ， 流 为 ８Ａ 左 最 ０ 电 ０ 右 ， 以最 佳 的 电 弧功 率 为 ２ ０ ｗ 所 ４０ ．
３ ２喷 涂 金属 层 ．
对模 型进 行 喷 涂 并 形 成 金 属 壳 是 喷 涂 制 模 工 艺 中 最 重