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基于水溶液的冰型快速成型摘要水溶液的冰型快速成型（RFP）是一种新型的固态成形技术,可以通过沉淀生成冰，一层一层地迅速冷冻水它通过制造一个坚实的冰层实现了在许多方面比起他固体成形技术更具潜在性能必要时,添加了盐的水冰点低于纯水这一步完成后,可以熔化温度区别盐水和水初步实验表明 ,冰模用于设计可视化和硅胶成型本文将介绍目前的报价流程的概念和一些实验结果以及其潜在的应用1999 年爱思唯尔的科学有限公司版权所有关键词:形成;挤压;快速凝固;固体成形技术;快速成型1.介绍自 1980 年代末以来,一些固体自由制造技术，也被称为快速成型或分层制造据调查,一些商业发达地区，通过累积建立三维零件分层技术 ,来自动允许自由制造复杂结构部分直接从 CAD 模式,无需使用特殊设备如材料移动流程这些快速成型技术帮助产品开发商和制造商发展和销售更加迅速,更好质量, 低成本的产品，不断变化和竞争激烈的全球市场这些技术的流行始于视觉艾滋病、形式和健康评估等由于加强研发领域的材料,过程,软件,和设备,应用快速工具（RT） 在研发中直接或间接使用快速成型在工具,模具和模具制造快速成型可以用于生产原型最后一部分使用材料评估和测试,或制造小数量产品。

直接 RT 法生产选用纯银工具直接从快速成型技术用实际的工具材料制造一部分（经常用一些后处理） 间接 RT 法与结合快速成型技术常规形状制造技术, 如 RTV（房间硫化成型、砂模铸造、围模,金属喷涂,电镀电铸工具有额外的直接形状复制过程用间接RT快速成型的原型的力学性能不太重要目前, 间接 RT 比直接 RT 更广泛使用一些成功的商业化快速成型制造过程包括立体平版印刷（SL） 、熔融沉积造型（FDM） ,烧结（ SLS）, 分层实体制造（LOM ）, 三维打印（3D-P） 这些过程中使用的材料包括 UV 光固化树脂、蜡、 ABS、金属陶瓷聚合物粉末, 胶粘剂涂布纸,等等这些快速成型过程已经成功地使用在许多应用,如设计可视化、形式和适合评价,功能测试,直接和间接快速工具然而,新的发明和过程改善计划仍需要由于限制不能使用快速成型包括以下许多方面:a：环境的负担许多快速成型过程产生物质,如烟雾、灰尘、危险的化工品等, 对健康和环境有害b：成本大多数现有的快速成型过程是仍然昂贵的设备、材料, 操作或维护成本c：部分精度和表面质量困难在提高精度和表面完全来自:材料收缩和不确定变化在相变阶段,6， 7,昼夜的影响,楼梯踏步效应, 制造分辨率,平衡制造分辨率和对制造时间的关心。

依据设计可视化、技术都是以能够建立颜色和透明部分能提供更多信息的设计产物,给更清晰、更准确的评价结果几乎所有的塑料沉积为基础的快速成型技术可以制造颜色部分用彩色的材料,如 Stratasys 公司和模型提供的 FDM 技术 制造商提供的桑德斯原型部分的是通过包括 FDM,不透明的模型制造者技术制作他们是可以接受的情况下设计可视化然而,在某些如手术计划准备和规划复杂的半成品，内部模型需要更多的内部信息介绍了快速冻结成型（ 水溶液的冰型快速成型） 过程被开发来解决以上所述工具和设计要求通过使用水随着材料和快速冻结的建筑方法,水溶液的冰型快速成型有可能制造冰模式好的精确性和表面光洁度部分去是容易的 ,并且很容易建立彩色模型，不同部分不同的颜色附加透明的部分属性,都是好工具和设计可视化应用程序摘要组织如下:第二节介绍快速冻结成型原理 ;第三节讨论这个过程的主要特性;第四节提供一些初步应用效果 ; 和第五节的结论2. 快速冻结成型的原则2.1 这一技术的概念水溶液的冰型快速成型是快速冻结成型过程,使一部分通过有选择的沉淀和冻结的材料（水或盐水） 一层一层地，有两种方法可以沉淀水：连续沉积和按需定位滴定;参见图 1 。

在这个过程中,制造环境是保持在向下温度低于水的冰点纯净的水或盐水可能是用于支持材料挤压或逐出喷嘴并沉积到以前凝固冰的表面新沉积的纯低温水或盐水被冷却，这是典型的 20 摄氏度在我们的初步实验手工画冰线区别于上次的冰面层因此,沉积材料冻结迅速,结合前面的层,形成新层的一部分部分是建立在纯水和支持下,在必要时, 在一定的温度下建立水或盐水的喷嘴和导料管超低温冷冻到冰点,但仍留在液体状态,以便材料可以流畅的自由流动在连续过程中,液体材料从喷嘴持续喷出到表面或之前制造的层 ,而在按需滴定过程中,液体材料喷射到表面或一滴一滴地射到以前凝固的冰层当材料接触表面时,它迅速冻结,坚定的保持在表面在持续制造过程, 喷嘴和导管材料流量移动速度是至关重要的比率太大可能引起故障，控制其出喷嘴流沿着冰的表面;比例太小可能会导致不连续凝固（见图 2） 材料流量的比率到 XY 轴移动速度可以保持最佳控制挤压速度的泵图 2 材料不同比率的流量到 XY 轴移动速度示意图当一部分建筑完成后,下一步是移动它的支持结构支持结构可以被手动或通过使用溶剂（图 3 所示） ,在一些特殊的溶剂被放置在槽支持移动溶剂保持一个高于盐水冰点但低于纯水冰点温度,这样才可以被融化（盐水冰点比纯水低）.这里使用的溶剂须有两个基本属性:不溶于水面孔密度且与水有很大不同。

盐水融化的第一个性能是确保支持不溶于溶剂,因此对冰的边界和负面影响的部分的第二个属性是允许从冰部分通过提高或下沉溶剂分离盐水.图 3 水溶液的冰型快速成型支持移动2.2 实验系统如图 4 所示的实验系统是被设计和建立快速冻结原型的研究和开发过程目标是能够自动制造冰层用 CAD系统的主要部件有:1材料挤压系统2材料前端沉积3三维定位系统4冻室图 4 水溶液的冰型快速成型实验系统结构整个实验系统将由个人电脑控制,三个坐标轴动作和蠕动泵由 PC 总线控制步进电机控制器项目将产生的软件控制程序根据 CAD 模型的切片轮廓信息步进电机控制器使用的控制计划控制运动存放该 X 和 Y 方向,升降是 Z 方向的运动材料挤压子系统也由这个控制器控制控制系统的示意图（图 5 所示） 材料挤压子系统的喷出和沉积在制造表面上不断所需的水量这个函数是通过利用一个蠕动泵,利用辊挤压液体通过一个灵活的塑料管 ,或使用一个发动机驱动挤出系统（如图 6 所示） 为泵驱动方法,管的一端插入到建筑材料的容器,和另一端连接到喷嘴挤压水由蠕动泵的优点包括: 精确的计量液体的体积和多种通道可用于挤压制造材料和支撑材料电机驱动方法,水是包含在气缸, 活塞连续不断的挤压。

运动控制卡生成控制脉冲在图根据计划,和脉冲应用于泵或电动机控制物料流率图 5 水溶液的冰型快速成型机器的控制系统图 6 电动挤压头物质沉淀在这实验机器，可能有多个喷嘴安装在一个头部,为沉积制造材料设计, 支持材料,颜色材料,不同的喷嘴,提高制造速度图 7 显示了多喷嘴头设计和安排多喷嘴头的喷嘴选择是通过激活某个电磁铁来实现的为了防止材料在头部冻结,需要一些加热组件保持所需的温度.沉淀头置于被控温度冰冻室,电机驱动,泵、水水库,和其他运动部件被放在冰箱外部温度由电脑界面控制2.3 制造方针部分制造策略决定如何制造边界和内部层,如何制造个体层和如何制造支持部分它提供部分精度、表面光洁度和制造速度如果水溶液的冰型快速成型机器配备连续并且按需滴定喷嘴,这是很多制造的策略三种可能的策略被阐明（如图 8 描述）：1. 边界的部分是由一个小孔喷嘴（部分精度和表面质量）和内部建立更大的孔径喷嘴(为制造速度).两个喷嘴执行连续沉积2. 部分边界建立按需滴定喷嘴（部分精度和表面质量）和内部建立持续的喷嘴吗（为制造速度）.3. 边界的部分是由一个小孔径喷嘴（部分精度和表面质量）重要的编织制造中等孔径喷嘴,然后充满了更大内部空隙的孔径喷嘴。

所有的三个喷嘴是连续的使用介质和喷嘴的内部使制造更快制造策略的研究包括不同厚度层，在制造过程中,目的让楼梯台阶上部分精度的影响不变以减少制造时间这包含决定层厚度以及制造卓有成就的每一层的部分的函数斜率另一个考虑是建立不同部分不同颜色这要求多个喷嘴,每个颜色一个,计划序列使用这些喷嘴作为总战略不可或缺的一部分图 7 喷嘴头设计和多喷嘴布置图 8 三个不同的部分制造策略3. 快速冻结成型的主要特点通过使用水作为制造材料, RFP 使其本身在一下特征方面不同于当前 SFF技术1. RFP 是一种更便宜和更清洁的成型制造技术建造过程和制造材料对环境和操作者不会造成负面影响这个过程没有有害的 UV 光, 不会产生气味,烟、噪音,或垃圾2. 尽管实现优良的冰层准确性需要通过实质性的调查，但是 RFP 仍然有潜力来建立具有优良的表面光洁度的准确的冰层3. 通过加热它以及使模型干燥，通过 RFP 制造的冰层很容易简单地从模型中除掉那儿没有残留的问题由于它的自我焊接性能，冰层也很容易融入其中一个非常复杂的层可以在几个部分被制造，然后连接在一起4. RFP 不存在热聚集的问题水是一种晶体材料喷嘴的材料可以通过保持其温度在冰点之上而保持在液体状态。

沉积的材料冻结期间释放的热量可以容易地被器材表面和周围的冷空气吸收,因此导致没有热量的聚集在其他的热相关的 SFF 过程中,如 FDM，材料不是一种晶体材料为了在相邻层之间获得良好的流动性和足够结合强度，喷嘴材料必须加热到一个相当高的温度，同时环境不易吸收释放的热量因此,热量将会聚集然后影响冰层表面的准确性和表面光洁度5. RFP 比 FDM 有更长的时间附近的薄层材料表面温度被认为是大多数重要的其原理的温度变化曲线的关键部分材料水溶液的冰型快速成型和FDM（图 9 所示） 在水溶液的冰型快速成型中,由于水是一种透明的材料,这表明材料冰冻曲线是平面部分相邻层之间的绑定被氢键实现冻结后,附加的冷却的环境仍然会启动绑定然而,在 FDM,曲线没有变平的部分相邻层之间的绑定被加入热实现所以只有在周期材料温度高于绑定点才有助于绑定这有效的绑定时间取决于喷嘴温度、环境温度和制造速度由于三个因素的局限性,有效期内也是有限的6. 在材料冻结水溶液的冰型快速成型, 材料扩展, 导致部分有压缩应力材料的扩张可以通过正确选择内部填充间距被偿还无论如何,其他沉淀成型技术,当固化时,材料收缩,导致部分张应力由于添加剂制造方式成型，补偿收缩格外困难。

拉应力可能会导致显著的畸变,甚至在相邻层裂缝或分层7. 很容易在相邻层建立彩色的部分不同部分的一部分可以用相同的材料制造不同颜色图 9 比较典型的沉积材料的冷却曲线水溶液的冰型快速成型和 FDM4. 冰的应用模式冰的应用模式面临着低操作温度的问题这的确使应用程序更加困难然而,在某些情况下,水溶液的冰型快速成型的优点是主导因素下面描述了一些水溶液的冰型快速成型的有利应用4.1 可视化水溶液的冰型快速成型可以很容易地建立彩色的和透明的冰层在某些情况下这一特性是非常重要的例如,病变器官的模型可以帮助 外科医生更好的准备手术通过利用水溶液的冰型快速成型,彩色的冰模型可以用 CT 扫描信息, 不同颜色不同部分这个彩色的冰模型可以为外科医生提供更多关于疾病的信息焦点透明的冰模型的特性使它可以看见病变器官的内部结构4.2 快速制模一些初步调查显示使用冰部件为工业应用的可行性在这里,冰部分是由铸造而不是快速冻结原型，因为水溶液的冰型快速成型设备尚未建立RTV 硅树脂橡胶成型是最受欢迎的快速工具技术之一我们初步实验显示,硅胶成型与冰模式低温是可行的其主要缺点是需要花费时间的硅胶（两种复合混合物） 然而, 容易成型移动是一个伟大的优势水溶液的冰型快速成型以防是复杂一部分 ,其准确性是至关重要的。

在这种情况下,硅胶模具硫化 ,冰模式可以被融化而不是物理移动硅胶模具类,从而可以准确的快速复制复杂塑料零件图 10 所示的过程和图 11 的一些照片另一种方法。