1、上海工程技術大學 053110270 材料成型綜合實驗報告 材料成型綜合實驗報告 學院： 材料工程學院 姓名： XXX 班級： 0531102 學號： XX 指導老師： 劉淑梅 徐紀平 試驗日期： 2013 年 12 月 23-28 日實驗一 快速成形（RP）技術3D印刷產品原形制造1、 實驗目的為了讓我們熟悉掌握利用3D印刷快速成形技術制造產品原形的方法并制作一件產品原形。了解這項技術的應用領域。了解3D印刷或FDM快速成形機基本結構及操作原理；了解快速成形技術在模具設計與制造中的應用。三、實驗原理 本次試驗采用的是FDM（Fused Deposition Manufacturing ）及3

2、D印刷快速成形制造技術。材料包括聚酯、ABS、人造橡膠、熔模制造用蠟和聚酯熱塑性塑料等 FDM（Fused Deposition Manufacturing ）工藝又稱為熔融沉積成型制造，熔融沉積成型的工作原理是將熱熔性材料（ABS、蠟）通過加熱器熔化，材料先抽成絲狀，通過送絲機構送進熱熔噴頭，在噴頭內被加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將半液動狀態的材料按CAD分層數據控制的路徑擠出并趁機在制定的位置凝固成形。并與周圍的材料粘結，層層堆積成型，熔融擠壓成形工藝比較適合于家用電器、辦公用品以及模具行業新產品開發，以及用于假肢、醫學、醫療、大地測量、考古等基于數字成像技術的三維實體

3、模型制造。該技術無需激光系統，因而價格低廉，運行費用很低且可靠性高。 目前在汽車、家電、電動工具、醫療、機械加工、精密鑄造、工藝品制作以及兒童玩具等行業，以及在以下幾個方面祈禱了重要作用。1. 產品樣本、設計評審、性能測試及裝配實驗。用戶分局快速制造的成型對設計方案進行評審，進行模擬性能測試和模擬裝配實驗，然后評估生產的可能性，最后將改進信息提供給設計人員，以便以后的修改和優化。2. 將FDM技術和傳統的模具制造技術結合在一起，快速模具制造技術可以縮短模具的開發周期，提高生產效率。3. 在生物醫學領域，根據掃描得到的人體分層截面數據，制造處人體局部組織或器官的模型，可以用于臨床醫學輔助診斷復雜

4、手術方案的確定，即制造解剖學體外模型（體外模型）；也可以制造組織工程細胞載體支架結構（人體器官），即作為生物制造工程中的一項關鍵技術。4. 在微型機械方面，采用某些工藝加工方法，如光固化方法，快速成型制造技術可以用于微型機械的制造和裝配。5. 在其他領域，如快速成型技術還可以用于復制文物，制作工藝品的設計原型，展覽模型等FDM成型特點：1. 標準的工程熱塑性塑料，如ABS可以用來生成結構功能的模型2. 可以使用兩種材料。可選柵格結構充當填空3. 加熱后的熱塑性塑料細絲將擠牙膏一樣從噴嘴中擠出4. 熱塑性塑料到達較低溫度的工作環境平面后迅速冷卻固化5. 近年來發展迅速，廣受用戶的青睞FDM的優點

5、：1. 制造系統可用于辦公環境，沒有毒氣或化學物質的危險2. 工藝干凈、簡單、易于操作且不產生垃圾3. 可快速構建瓶狀或中空零件4. 原材料以卷軸線的形式停工，易于搬運和快速更換5. 原材料費用低6. 可選用多種材料。如可染色的ABS和醫用ABS，澆鑄用蠟和人造橡膠。FDM的適用范圍：適合于產品設計的概念建模以及產品的功能測試，由于甲基丙烯酸ABS（MOBS）材料具有很好的化學穩定性，可采用伽瑪射線消毒，特別適用于醫用。但成形精度相對較低，不適合于制作結構過分復雜的零件。適用于三維打印，在產品設計評估與校審方面有一定應用。適用于三維打印方面：1. 不使用激光。維護簡單，成本低；價格是成型工藝是

6、否于三維打印的一個重要因素。多用于概念設計的三維打印機對原型精度和物理化學特性要求不高。便宜的價格是其能否推廣開來的決定性因素。2. 塑材絲材清潔。更換容易；與其他使用粉末和液態材料的工藝相比，絲材更加清潔，易于更換、保存3. 后處理簡單：僅需要幾分鐘到一刻鐘的時間，剝離支撐后原型即可使用。而現在應用較多的SL、SLS、3DP等工藝均存在清理參與液體和粉末的步驟，并且進行后固化處理。需要額外的輔助設備。這些額外的后處理工序一是容易造成粉末或液體污染，二是增加了幾個小時的時間，不能在成型完成后立刻使用。4. 成型速度快：一般來講，FDM工藝相對SL、SLS、3DP工藝來說速度是最慢的，但，針對三

7、維打印應用，其也有一定的優勢。首先，SL、SLS、3DP都有層間過程（鋪粉/液，掛平）。因而它們一次成型多個原型是速度很快，例如：3DP可以做到一小時成型（25mm左右高度的成型。三維打印機成型空間小，一次多成型1至2個原型，相對來講，他們的速度優點就不甚明顯了。其次，三維打印機對原型強度要求不高。所以FDM工藝可以通過減小原型密實程度的方法提高成型速度。四、實驗過程：1、建模過程： 我們采購了一輛玩具四驅車，然后我用游標卡尺進行測繪并用UG NX軟件進行1:1建模。建模的過程總體來說是比較順利的，主要是車頭的和側翼部分耗費了比較長的時間，整體來說效果不錯。其中最大的感觸是平常看起來很簡單很不

8、起眼的東西要做好也需要很用心才能做好。想底盤中間的電池倉，雖然沒有復雜的曲面，但做好這樣一個三維模型，每個細小的數據都需要測量出來。而且也正因為它小才讓這一切更復雜。1、 實驗過程： 把建好的模型消除參數保存，并由UG NX軟件導出stl格式的模型。然后把STL格式的模型導入到閃鑄軟件中，使其居中放置于平臺上。因為設備的尺寸限制，還有實驗的時間控制考率，我縮放了0.64，因底部是平的，采用面支持面支撐即可。保存后通過軟件生成G代碼，軟件預估造型時間1個半小時。通過SD卡把數據導入打印機中，機器預熱后開始打印，最終成型時間在一個小時四十分鐘左右。 塑件完成后用小鏟子取出，并小心用鉗子除去支撐填料

9、。因殼體比較薄，所以模型顯得有點單薄。表面較粗糙，側翼鏈接部分特別脆弱。五、實驗設備1、裝有UG NX 電腦一臺；2、uPrint 或 uPrint plus 3D打印機一臺；3、鏟子、鉗子等輔助工具。六、思考題1、RP技術都有哪些？簡介其中重要的4種技術原理及應用范圍；答：按成形材料及技術的不同，RP技術可分為立體光刻造型法(SLA)、粉末燒結法(SLS)、熔化凝結法(FDM)、薄層材料制造法(LOM)、三維印刷法(3DP)、逐層固化法(SGC)。 （1）立體光刻(SLA) 是利用紫外激光掃描光敏樹脂、光敏樹脂在激光的作用下固化，一層層堆積形成三維實體模型。主要用于高精度塑料件，鑄造用蠟模，

10、樣件獲模型，是目前快速成型技術領域中研究得最多、技術上最為成熟、成型的零件精度最高的方法。 （2）熔融擠出成型(FDM)工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發生變化，當形狀發生較大的變化時，上層輪廓就不能給當前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設計一些輔助結構“支撐”，對后續層提供定位和支撐，以保證成形過程的順利實現。適合于產品設計的概念建

11、模以及產品的功能測試，由于甲基丙烯酸ABS（MOBS）材料具有很好的化學穩定性，可采用伽瑪射線消毒，特別適用于醫用。但成形精度相對較低，不適合于制作結構過分復雜的零件。適用于三維打印，在產品設計評估與校審方面有一定應用。（3） 分層實體制造法（LOMLaminated Object Manufacturing），LOM又稱層疊法成形，它以片材（如紙片、塑料薄膜或復合材料）為原材料，其成形原理如圖所示，激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓線數據，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內外輪廓。切割完一層后，送料機構將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然

12、后再進行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結構件或功能件。（4） 三維印刷法是利用噴墨打印頭逐點噴射粘合劑來粘結粉末材料的方法制造原型。3DP的成型過程與SLS相似，只是將SLS中的激光變成噴墨打印機噴射結合劑。該技術制造致密的陶瓷部件具有較大的難度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金屬陶瓷復合材多孔坯體或陶瓷模具等）方面具有較大的優越性。2、簡介STL數據格式；答：STL是最多快速原型系統所應用的標準文件類型。STL是用三角網格來表現3D CAD模型。STL模型就是對三維實體表面進行

13、離散后用三角形平面片近似表示實體表面而構成的三維實體模型。他是對原三維實體的一種幾何近似。當三角形小到一定程度,其近似性可達到工程允許的精度范圍,其數據文件稱為STL文件。所以它在快速成型領域運用非常廣。3、FDM技術為什么適用于3D印刷工藝？答：因為FDM技術制造系統成型速度快、精度高，能成型精細結構。可用于辦公環境，沒有毒氣或化學物質的危險；工藝干凈、簡單、易于操作且不產生垃圾；可快速構建瓶狀或中空零件；原材料以卷軸線的形式提供，易于搬運和快速更換；材料利用率高，無需其它輔助材料，運行成本相對較低。可選用多種材料。如可染色的ABS和醫用ABS，澆鑄用蠟和人造橡膠。成型工件韌性好、強度高，不

14、但可以作外形測試，而且可以用于裝配、沖擊、腐蝕等測試。不采用激光發生器，所以維護簡單，價格合理，性價比最高。4、簡介RE技術；答：逆向工程的概念逆向工程（Reverse Engineering,RE）是對產品設計過程的一種描述。就是根據已經存在的產品模型，反向推出產品設計數據（包括設計圖紙或數字模型）的過程。并且可以認為是將產品樣件轉化為三維模型的相關數字化技術和幾何建模技術的總稱。逆向工程的應用領域主要是飛機、汽車、玩具和家電等模具相關行業。5、RP，RE技術與模具設計與制造關系？答：RE(Reverse Engineering)逆向工程技術與RP(Rapid Prototyping)快速成

15、型技術是20世紀設計與制造領域里帶有革命性意義的新方法新技術,它們的產生高度集成了各項最先進的技術,從根本上改革了傳統的設計與制造思想,極大地促進制造業生產力的發展。基于逆向工程和快速原型技術的快速模具制造技術就是在尋求快速制造模具的新方法 的要求下發展起來的一種極具生命力的先進制造技術，它的工藝流程為對零件測量獲得坐標數據，并造型得到CAD模型，然后對模型離散化后輸入快速原型機進行快速原型加工，最后以RP件作母模來制作快速模具。6、 實驗中遇到了哪些問題？是如何解決的？答：實驗中在生成G代碼的時候，在選擇支持的時我不知道該選那種支持方式，后面經老師介紹后知道三種不同的支持方式對應不同的零件。

16、第一種是無支持，適合結構簡單尺寸較小零件。第二種是面支撐，適合底面有弧度，結構簡單的零件。第三種是全支撐，適用于結構復雜零件。根據以上條件，我們的零件選擇了第二種面支撐。7、 請你簡介RE技術應用方面；答：比如逆向工程（RE技術）在汽車工業中的應用，著眼于實際問題就是在汽車設計中怎樣進行實物測量和逆向建模，所使用的CAD設計工具主要是UG和CATIA,利用現有的設計方法和手段，根據汽車自身特點，建立起與原模型相近的模型。他可以廣泛應用到新產品的開發、舊零件的還原以及產品的檢測中，不僅消化和吸收實物原型，并且能修改再設計以制造出新的產品。逆向工程將加快汽車更新換代速度，加快其設計、制造速度，降低

17、研發成本，提高競爭力。8、 原型完成后續工序應有那些？答：原型完成后，用小刀、鑷子、鉗子等工具，小心除去支撐物。并用砂紙對粗糙部分進行打磨。有需要的還可以涂漆上色，做后期的美化。實驗二 冷擠壓塑性成形分析一. 實驗目的通過對防銹鋁LF21試樣進行正擠、反擠，分析其剖面上網格變化情況，通過剖面上各部位硬度值的測定及觀察金屬流線、晶粒變化的特征，了解冷擠壓對改變材料機械性能所起到的作用。通過對防銹鋁試樣的擠壓，掌握該材料擠壓前的軟化、表面及潤滑處理的規范，熟悉材料硬度值的測定方法及試樣材料金屬流線及晶粒的有關金相分析方法。二. 實驗設備、儀器及用品1. 退火圓柱試樣8個，退火對分半圓柱試樣8個，不

18、退火圓柱試樣1個。 圓柱試樣 對分圓柱試樣 材料：LF21 圖2-1 實驗試樣2. YA32-200四柱通用液壓機3. 冷擠壓模具4. SX-10-13箱式電阻爐5. HR-150DT硬度機6. 金相顯微鏡7. M-2預磨機8. FUJIFILM FinePix 1400Zoom數碼照相機9. 游標高度尺10. 電爐11. 吹風機12. 汽油一瓶13. 硝酸一瓶、王水、 氫氟酸適量14. 工業氫氧化鈉60克15. 硬脂酸鋅適量16. 操作工具若干（如器皿、鑷子、溫度計等）三. 實驗過程17. (一) 試樣預處理18. 防銹鋁LF-21試樣軟化處理：19. 在SX-10-13箱式電阻爐中退火，退

19、火工藝規范如圖2-2所示。圖2-2 試樣退火規范20. 鋁試樣表面處理21. 去脂處理：用汽油清洗；22. 流動冷水清洗；23. 去除退火引起的氧化皮：用工業硝酸配制酸液，酸液濃度為4080g/L，浸洗時間以目測氧化皮完全去除為準；24. 流動冷水清洗；25. 氧化處理：工業氫氧化鈉4060g/L，溫度5070ºC，浸洗時間14min；26. 流動冷水清洗；27. 熱水洗：溫度7080ºC；28. 干燥。29. 擠壓前后網格線變化30. 劃分網格31. 取4個對分半圓柱試樣，用游標高度尺在試樣剖面上均勻劃分5×5mm網格，如圖2-3。圖2-3 網格劃分示意圖32.

20、 對劃分網格后的剖面進行拍攝記錄。33. 擠壓34. 在試樣外表面均勻涂上硬脂酸鋅；35. 將1個劃好網格的對分半圓柱試樣和另1個不劃網格的對分半圓柱試樣合并為1個圓柱試樣，將其裝入模具；36. 在實驗教師指導下進行擠壓；37. 正擠壓件尺寸如圖2-4，其中Hf取值如表1HFGED圖 2-4 正擠壓件圖 表 2-1 Hf取值試樣號試樣1試樣2Hf（mm）2515（a） 反擠壓件尺寸如圖2-5，其中Hb取值如表2試樣號試樣3試樣4Hb（mm）2515 表2-2 Hb取值LJIK圖2-5 反擠壓件圖38. 將擠壓完畢的試樣從模具型腔中取出，標好記號，用數碼相機拍攝或作圖描繪變形后的截面網格情況。3

21、9. 根據擠壓后試樣剖面網格變形，分析其變形情況，并找出其劇烈變形區，剛性平移區和“死區”。40. 在材料硬度試驗機上對試樣剖面各部分進行硬度測定。41. 在實驗教師指導下，裝入鋼珠測頭，負荷62.5KN，刻度值取HRB檔，進行硬度測定，測量點為圖2-3、圖2-4、圖2-5中的DL（未變形區、變形區、“死區”），將所測硬度值記錄在表2-3和表2-4中。42. (三)擠壓變形后金屬流線分布43. 取8個圓柱試樣進行擠壓，擠壓壓下量同前，每種壓下參數擠壓試樣2個；44. 將擠壓完畢的試樣從模具型腔中取出，標好記號；45. 對半剖分試樣；46. 對試樣剖面進行拋光、腐蝕；47. 觀察、 分析剖面上的

22、流線特點，用數碼相機拍攝或作圖描繪記錄金屬流線情況；48. 在金相顯微鏡下觀察試樣剖面各部位晶粒變化，并作圖描繪。四 .實驗結果分析49. 根據防銹鋁LF21試樣剖面在正擠、反擠后網格變化圖，分析金屬塑性變形的特點；答：金屬進入變形區才發生變形，此區成為劇烈變形區。進入此區以前或離開此區以后金屬幾乎不變形，僅做剛性平移。50. 對照試樣剖面上各部位的硬度值，并結合網格變化情況加以分析；答：變形越劇烈的地方，硬度值越高。未變形區的硬度值最小。這是因為加工硬化現象而產生的。51. 對比分析變形前、后，正擠壓、反擠壓的金屬流線分布情況。答：正擠壓由于模具錐面的擠壓作用，縱向方格線向中心靠攏，發生不同程度的扭曲，位于模具孔口附近的扭曲變形最為顯著，橫向坐標線發生很大的彎曲。死區金屬很難變形或停留不動。反擠壓也是，在劇烈變形區，網格扭曲嚴重。52. 根據金屬流線分布情況和各部分晶粒變化特