在現(xiàn)代市場經(jīng)濟全球一體化背景下的今天，企業(yè)要在競爭日益激烈的市場經(jīng)濟中掌握先機，占據(jù)有利地位，需要有技術(shù)和產(chǎn)品上的創(chuàng)新，把握并引導(dǎo)市場的發(fā)展方向。與此同時，對于市場的需求，企業(yè)需要做出快速的響應(yīng)。而目前大多數(shù)水泵企業(yè)都是用傳統(tǒng)的方法來開發(fā)新產(chǎn)品，產(chǎn)品研發(fā)的周期比較長，更難以實現(xiàn)小批量、多品種、改型快的要求。

激光燒結(jié)快速自動成型技術(shù)是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD 模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱。它集中了計算機輔助設(shè)計和制造技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。隨著越來越多的水泵企業(yè)引進(jìn)快速成型系統(tǒng)，在降低新產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本、縮短研發(fā)周期、提高市場快速響應(yīng)能力等方面起到了積極的作用，從而保持了強大的市場競爭力。

一、HRPS-IV 快速成型系統(tǒng)在泵制造中的工藝技術(shù)

1.1系統(tǒng)原理

我公司選用的是華中科技大學(xué)武漢濱湖機電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)的HRPS-IV快速成型系統(tǒng)。該設(shè)備采用激光燒結(jié)快速自動成型技術(shù)，其基本工作原理是離散與堆積，在使用該技術(shù)時，設(shè)計者首先借助現(xiàn)有的主流三維設(shè)計軟件或者通過逆向工程所采集的幾何數(shù)據(jù)，建立一個產(chǎn)品的三維模型，這是完成快速成型制造的一項基本條件。然后導(dǎo)出相應(yīng)的STL 文件格式輸入快速成型機當(dāng)中，再從STL 文件“切”出設(shè)定厚度的一系列片層，或者直接從CAD 文件切出一系列的片層，這些片層按次序累積起來便是所設(shè)計零件的原型件。部件完成后，再經(jīng)過必要的后續(xù)處理，使完成的部件在性能、形狀尺寸、外觀等方面達(dá)到設(shè)計要求。應(yīng)用激光燒結(jié)快速自動成型技術(shù)來進(jìn)行產(chǎn)品制造，可以忽略產(chǎn)品部件的外形復(fù)雜程度(這也是與傳統(tǒng)機械加工方式制造產(chǎn)品的最大區(qū)別之一)，原材料的利用率接近100%，制造精度可達(dá)±0.2mm 200mm。如圖1所示，整個成型過程是在成型活塞筒內(nèi)完成，在成型活塞筒的兩側(cè)各有一個供粉活塞筒。成型步驟如下：

圖1 HRPS-IV 設(shè)備原理和外觀

HRPS-IV設(shè)備使用的材料（PS）是一種粉末狀的高分子材料，粉粒直徑為50-125靘。零件制作時，首先供粉活塞上移一定量，鋪粉滾輪將粉末均勻地鋪在加工平面上。激光器發(fā)出激光，計算機控制激光器的開關(guān)及掃描器的角度，使得激光束以一定的速度和能量密度在加工平面上掃描。激光器的開與關(guān)以及掃描器的角度是與待成型的零件的片層的第一層信息相關(guān)。激光束掃過之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的片層，未掃過的地方仍然是松散的粉末，這樣零件的第一層就制造出來了。這時，成型活塞下移一定距離，這個距離等于待成型零件的切片厚度，而供粉活塞上移一定量（上移的量與模型的切出的片層厚度有關(guān)，一般是略大于片層厚度）。鋪粉滾輪再次將粉末鋪平后，激光束依照零件的片層的第二層信息加工。激光掃過之后，所形成的第二個片層也燒結(jié)在第一層上，如此反復(fù)，一個三維實體就疊加制造出來了。

在上述原型件的制作過程中，有幾項設(shè)置參數(shù)可以幫助說明。首先，因為零件是在高溫下燒結(jié)成型的，成型以后回到常溫下，零件都有一個收縮。因此，為了抵消這種收縮，需要進(jìn)行模型放大補償，一般沿Z 向放大1.005倍。另外，切片處理參數(shù)的設(shè)置，HRPS-IV快速成型系統(tǒng)的層厚設(shè)置根據(jù)精度要求，一般為0.2mm。該系統(tǒng)所用的刀具指的是激光束，在燒結(jié)零件外輪廓時，激光束成型的并不是理論上的一條線，因此需要進(jìn)行刀具補償，該補償為0.15mm。零件進(jìn)行切片處理，掃描參數(shù)一般選擇掃描線寬為0.15mm，即激光束掃描軌跡之間的間隔。掃描線寬太大，不容易燒結(jié)成型，掃描線寬太小，容易導(dǎo)致燒結(jié)區(qū)溫度過高。

1.2 泵零件制作的工藝過程

如圖2 所示為葉輪制作的簡要工藝過程說明，葉輪是泵中的核心部件，我們可以應(yīng)用激光燒結(jié)快速成型技術(shù)制作浸樹脂件，然后進(jìn)行產(chǎn)品的裝配和性能測試；也可以制作蠟?zāi)＃�繼而獲得金屬鑄造件。我公司先使用Pro-Engineer 進(jìn)行三維造型，將其轉(zhuǎn)換成STL 文件格式，導(dǎo)入快速成型設(shè)備。設(shè)置系統(tǒng)的零件制作參數(shù)，進(jìn)行原型件的制作。待做完的零件冷卻后，從工作缸中取出，用工具小心清除未燒結(jié)的粉末，然后用壓縮空氣把原型件表面的浮塵吹干凈。接下來的后處理工藝分為浸樹脂件和蠟?zāi)５闹谱鲀煞N情況，在這里首先闡明浸樹脂件的制作工藝。在原型件的表面用刷子反復(fù)涂抹樹脂，使零件完全浸透，并用吸水紙將零件表面多余的樹脂吸干，然后放入60℃的烘箱中烘干。我們再看一下蠟?zāi)５暮筇幚砉に�，將預(yù)熱均勻的原型件放入65℃的蠟池中，待無氣泡溢出后，把蠟?zāi)Ｈ〕觯�靜置，使多余蠟析出。然后放入30℃的烘箱中緩慢冷卻，再放置空氣中冷卻至室溫，最后精整處理就能得到表面光滑的蠟?zāi)！?/p>

上述是零件制作和后處理工藝的簡要說明，接下來我們結(jié)合激光燒結(jié)快速成型技術(shù)的實踐積累就泵件制作在幾方面重點剖析。

1.2.1 大型泵零件制作的工藝要求

對于激光燒結(jié)快速自動成型技術(shù)來說，其加工工藝、參數(shù)設(shè)置隨著成型件結(jié)構(gòu)尺寸而呈現(xiàn)不同的變化。RPS-IV成型機的最大成型空間500×500×400（長×寬×高，單位：mm），需要制作的原型一般應(yīng)小于這個尺寸。如圖3所示為一雙吸泵葉輪，其直徑為φ760mm，無法在成型機中一次性燒結(jié)制作。在這里我們將其剖分成四塊，然后逐一燒結(jié)。成型蠟?zāi)Ｖ坪煤�，再按工藝要求進(jìn)行整體組合、粘接，其粘合強度足以滿足制殼的強度需求。在這里我們特別說明是，在激光燒結(jié)成型時遇到象這樣的大件，采取提高成型質(zhì)量的措施就顯得尤為重要了。在激光燒結(jié)過程中，未燒結(jié)的松散的粉末對成型件起到了自然支架的作用。對這些松散的粉末進(jìn)行加熱處理可以使之粘結(jié)，加熱溫度越高其板結(jié)程度越高，其對零件的支撐作用就越顯著，可以更好地防止零件（蠟?zāi)＃┳冃�；但是要注意，加熱溫度越高，未燒結(jié)粉末越板結(jié)，隨后的清理就越困難了。另外，在成型缸上部裝有加熱器，并由溫控表控制粉末表面溫度，加熱的作用是減小成型過程中的變形、節(jié)省激光能量。對于PS粉末，其加工時的粉末表面溫度設(shè)定為98～102℃。為了防止零件變形，一般成型件底部的溫度要高于此值20℃，也就是120℃左右。具體辦法是當(dāng)紅外測溫儀測得成型缸表面的粉末溫度達(dá)到120℃時就可以進(jìn)行燒結(jié)，然后在前25 層燒結(jié)成型過程中，逐漸降低加熱溫度的值，也就是逐漸降低加熱器的功率。目的是使成型缸粉末的表面溫度恒定在98～120℃成型所需的溫度范圍內(nèi)。因為剛開始激光器燒結(jié)粉末，在成型缸內(nèi)熱積累較少，因此加熱器需要大功率加熱。經(jīng)過一定層數(shù)的激光燒結(jié)以后，成型缸內(nèi)具備了一定的熱積累，因此加熱器功率減小，這樣可以保證成型件上下成型時的溫度恒定，有利于防止底部熱變形，提高成型質(zhì)量。

圖3 大尺寸零件，剖分成幾塊燒結(jié)

1.2.2 浸樹脂零件制作的工藝要求　

制作的浸樹脂零件可以用于普通功能件，在HRPS-IV快速成型系統(tǒng)中由PS粉末直接成型的零件強度低、韌性差，容易遭破壞。通過后處理工藝過程的清粉、浸膠（浸入樹脂）、烘干、拋光后方能應(yīng)用于產(chǎn)品裝配、干涉檢驗、性能測試，從而驗證設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)合理性、制造工藝的可行性。但是浸樹脂零件有一定的適用范圍，根據(jù)我們長期的實踐積累，如果成型制作的浸樹脂零件用于性能測試，只適用于如圖4 所示左側(cè)的葉輪，其直徑小于315mm，出口流道寬度控制在15mm以內(nèi)。而承壓件，如圖示右側(cè)的泵體如若用于性能試驗，就不能夠進(jìn)行浸樹脂零件制作了。

1.2.3 蠟?zāi)Ｖ谱鞯墓に囈��?/strong>