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    4種家具快速成型技術介紹

    導讀:
    快速成型技術作為一種迅猛發展的先進技術,在多個領域的生產環節具有廣泛應用,而這種技術在家具生產中最為人樂道的成果莫過于3D打印家具了。為了讓大家更好的了解快速成型的種類和原理,我們以古典家具模型制作為例,看一看它的技術特點,并以此展望下未來的家具生產。

    快速成型技術又稱快速原型制造技術,誕生于20世紀80年代后期,,被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身,可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件,從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。

    一、快速成型的工藝分類

    根據成型原理和成型材料的不同,目前在家具設計與制造過程中使用的快速成型工藝可以分為以下4 種類型:

    1、熔融沉積工藝

    熔融沉積(FDM)工藝是將絲狀的熱塑性材料按特定溫度融化,使材料始終保持液體狀態,通過擠出頭勻速擠出。在成型數據的控制下,有選擇的沉積在工作平臺上,沉積后立即冷卻并固化成型。

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    2、立體光固化工藝

    立體光固化(SLA)工藝利用了光敏樹脂的材料特性,即在一定波長和強度的紫外光束照射下可以實現從液態到固態的相變。紫外光束的運動軌跡通過成型數據來控制,在光敏樹脂表面進行選擇性的掃描,實現逐點固化成型。

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    3、三維印刷工藝

    三維印刷(3DP)工藝的原理為粉末狀材料在黏合劑的作用下的黏結成型。在工作平臺上先鋪一層粉末狀材料,再使用噴嘴將黏合劑分布于需要成型的粉末區域,實現了粉末的黏合成型。

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    4、選擇性激光燒結工藝

    選擇性激光燒結(SLS)工藝的原理為粉末狀材料在激光燒結下的熔化結合。在工作平臺上先鋪一層接近熔點的粉末狀材料,再使用激光在該層粉末上選擇性的掃描,被掃描區域的粉末溫度升高, 熔化后燒結成型。

    二、古典家具模型制作工藝篩選

    1、工藝要求

    中國古典家具模型由于需要呈現經典家具器型的形態,有大量的曲面或者異形構件。因此,模型的制作對于整體形態的呈現要力求精確。同時, 模型表面要盡量光滑,體現制作工藝的美感。

    中國古典家具模型的展示不光是“形態美”,更有其“結構美”。作為中國古典家具精髓的榫卯結構需要特別展示,模型設計要求為包含榫卯結構的可拆裝形式。可拆裝的榫卯結構對構件的機械性能提出較高的要求。

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    2、四種快速成型工藝的對比

    根據中國古典家具模型的制作工藝要求,對4 種主要快速成型工藝進行試制試驗,初步篩選適合本次模型制作的快速成型工藝。

    選取明式圈椅模型中的背板作為試件,通過對背板的試制,對比制作效果、制作時間、制作成本、表面質量和機械性能等5 個要素,對比結果如下圖所示。

    觀察過程中發現,SLA 工藝制作的試件表面光滑,FDM 工藝制作的試件表面有臺階效應,3DP工藝制作的試件表面有顆粒狀的感覺,SLS 工藝制作的試件表面有分層狀感覺。

    手掰過程中發現, 3DP 工藝制作的試件輕輕用力就被掰斷,且有粉末狀碎屑。加大力量后,SLA 工藝和SLS 工藝制作的試件相繼出現斷裂,而FDM 工藝制作的試件最不容易掰斷。因此,FDM快速成型工藝在機械性能表現方面最優。而且后續的拉伸試驗分析,FDM 工藝制作的試件機械性能也更好。

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    三、熔融沉積工藝(FDM)制作家具模型

    通過篩選,選取FDM 工藝制作中國古典家具模型。本次模型制作使用的是Stratasys Fotus 450 快速成型機,選取的模型為明式圈椅模型,制作過程如下:

    使用UG 軟件建立明式圈椅模型,通過測繪及參考二維尺寸圖等手段進行建模。模型一共32個零件,各零件分開建立,通過裝配模塊進行裝配。零件與零件間的連接方式均為榫卯結合,明式圈椅模型的整體效果和炸裂圖如圖所示。

    將圈椅模型的STL 文件導入Fotus 450 快速成型設備中,對模型大小進行設置。本次制作過程中明式圈椅模型與實物的比例設置為1∶9,該比例下模型尺寸剛好適宜。

    設置Fotus 450 快速成型設備的參數,設置加工層厚為0.1 mm,材料擠出速度為50 mm/min,其余參數一般默認由系統進行設置。

    參數設置完成后,快速成型控制軟件自動切片,生成機代碼,并開始加工過程。

    模型加工完成后,進行后處理工藝。后處理工藝的第一步是去除支撐材料,通過手工剝離的方法。支撐剝離過程中產生的毛刺和凹槽,通過打磨拋光去除。主要使用的工具為砂紙、紗綢布、羊絨輪等。進行后續處理后,完成古典家具模型的制作。

    得益于先進制造技術的發展,通過快速成型技術制作中國古典家具模型,不僅能提高制作效率、降低制作成本,而且實現了科技和文化的融合,凝聚了深刻而豐富的內涵,具有較高的市場推廣價值,同時也促進了文化的傳播。

    我們以此來展望未來的家具生產,快速成型技術早日能夠實現工業化生產。

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