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研究生:蘇勢貿
研究生(外文):Shih-Mao Su
論文名稱:以陶瓷雷射熔結法製作精密鑄造用陶殼模
論文名稱(外文):Fabricating Ceramic Shell Mold for Precision Casting by Ceramic Laser Fusion
指導教授:湯華興
指導教授(外文):Hwa-Hshing Tang
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:製造科技研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:115
中文關鍵詞:陶瓷工件陶殼模陶瓷雷射熔結法精密鑄造
外文關鍵詞:ceramic workpiececeramic shell moldceramic laser fusionprecision casting
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本研究的目的為利用陶瓷雷射熔結法(Ceramic Laser Fusion, CLF)製作陶殼模,並應用於翻鑄鋁合金。
本文第一部分為改良鋪料裝置和加熱裝置之運動軸、升降機構主軸,控制箱和安全裝置等。第二部分為掃描路徑改良與基礎特性研究,利用Model Works軟體和自行撰寫的VB程式,控制掃描路徑,並利用此改良式切層技術,求得掃描間距與彎曲強度和成形時間的關係,以及找出不同雷射功率密度對重疊率之影響。第三部分為工件實作與鑄造研究,以改良式切層技術製作3D工件和陶殼模,並以此陶殼模進行鋁合金之澆鑄。
CLF成型機經過改良後,疊層厚度已從0.15mm縮小到0.1mm,且機器的Z軸精度,每層皆可控制在0.01mm以內。當雷射功率為45W時,線重層率在23.95%和面重層率在27%為最佳掃描參數組合,且由ATOS量出的工件形狀誤差量可達到0.05 mm。此外,除了使用超音波和氫氧化鈉溶液外,也可在陶殼模製作時預留生坏去除孔,藉以加速清除陶殼模之內部生坏。最後,本研究證實CLF成型機已具有製作高複雜度之陶瓷工件,也可運用此陶殼模鑄出金屬工件。
The aim of this study is to employ Ceramic Laser Fusion (CLF) technique to fabricate ceramic shell mold and apply to cast aluminum alloy.
The first section includes the improvements of motion axes of paving device and heating device, axis of elevating mechanism, control panel and safety device. The second section includes the improvements of scanning route and studying of the fundamental characteristics. Utilizing the software Model Works and self-developed VB program to control the laser scanning route and taking advantage of a new slicing technique, the relation between hatch (scanning space), bending strength and forming time can be achieved, and the overlapping under the different laser powder density can be found out. The third section includes making workpiece, casting research, fabricating 3D parts and ceramic shell mold by new slicing technique and casting aluminum alloy by ceramic shell mold.
After improving CLF apparatus, the layer thickness has been reduced from 0.15 mm to 0.1 mm; the resolution of the Z axis can be controlled within 0.01 mm. Under the laser power 45W, the linear overlapping and the plane overlapping are 23.95% and 27%, respectively. This is the optimal combination of scanning parameter; the average error of the workpiece can be 0.05 mm. Besides, in spite of using ultrasonic or NaOH solvent, some holes can be fabricated with mold in advance to accelerate the removal of green portion in mold. Finally, this study proves that CLF prototyping apparatus provides with the capability of making complex ceramic workpieces, and the fabricated ceramic shell molds can cast metal parts.
中文摘要 .................................................i
英文摘要 .................................................ii
誌謝 .................................................iii
目錄 .................................................iv
表目錄 .................................................viii
圖目錄 .................................................ix
第一章 緒論 ............................................1
1.1 研究背景 ............................................1
1.2 研究目的 ............................................2
1.3 研究方法 ............................................3
1.3.1 CLF機器設備改良 ...................................3
1.3.2掃描路徑改良及基礎特性研 ...........................4
1.3.3陶殼模製作與鑄造之研究 .............................4
第二章 文獻回顧 ........................................6
2.1 快速成型技術背景 ....................................6
2.2 快速模具之直接造模法背景 ............................7
2.2.1 SLS技術背景 .......................................7
2.2.2 Z-Corp ration技術背景 .............................9
2.3 陶瓷雷射熔結技術 ....................................11
第三章 CLF設備改良與改良後之製程研究 ....................14
3.1 機器設備之改良 ......................................14
3.1.1 鋪料裝置及加熱裝置之運動軸 ........................15
3.1.2 升降主軸及平台 ....................................18
3.1.3 控制系統 ..........................................20
3.1.3.1控制箱之改良 .....................................21
3.1.3.2安全裝置 .........................................23
3.2改良後成型機之製程研究 ...............................24
3.2.1 昇降機構精度實驗 ..................................24
3.2.1.1實驗方法 .........................................25
3.2.1.2 昇降機構精度實驗結果與討論 ......................26
3.2.2 鋪層實驗 ..........................................27
3.2.2.1 實驗方法 ........................................28
3.2.2.2 鋪層實驗結果與討論 ..............................29
3.2.3 成形實驗 ..........................................31
3.2.3.1 實驗方法 ........................................33
3.2.3.2 成型實驗結果與討論 ..............................34
3.3 CLF設備改良與改良後之製程研究結論 ...................35
第四章 掃描路徑改良與製程基礎及特性研究 .................37
4.1 改良式切層技術 ......................................37
4.1.1 改良式切層技術之研究 ..............................38
4.1.1.1 Model Works主程式參數分析 .......................39
4.1.1.2 Model Works資料庫與加工路徑分析 .................42
4.1.1.3 檔案格式轉換分析 ................................45
4.1.1.4 工件定位與檔案分割處理研究 ......................46
4.1.2 改良式切層處理流程 ................................48
4.2 製程基礎及特性研究 ..................................49
4.2.1 彎曲強度及成形時間實驗 ............................50
4.2.1.1 實驗方法 ........................................50
4.2.1.2彎曲強度及成形時間實驗結果與討論 .................52
4.2.2 重疊率之研究 ......................................55
4.2.2.1實驗方法 .........................................57
4.2.2.2 重疊率之研究實驗結果與討論 ......................61
4.2.3精度試驗 ...........................................66
4.2.3.1 實驗方法 ........................................66
4.2.3.1 精度實驗結果與討論 ..............................69
4.3掃描路徑改良與製程基礎及特性研究之結論 ...............72
第五章 工件實作與鑄造模具之研究 .........................74
5.1 改良式切層技術之陶瓷工件製作 ........................74
5.1.1 CLF建構流程 .......................................74
5.1.2 CLF陶瓷工件製作 ...................................77
5.1.2.1 2.5D之陶瓷工件 ..................................77
5.1.2.2 3D之陶瓷工件 ....................................78
5.1.3 結果與討論 ........................................80
5.2 製作直接鑄造用模具之研究 ............................81
5.2.1陶殼模運算實驗 .....................................82
5.2.1.1 Hollow part之運算 ...............................83
5.2.1.2 Boolean part之運算 ..............................84
5.2.1.3實驗結果與討論 ...................................85
5.2.2 陶殼模去除生坏實驗 ................................87
5.2.2.1超音波去除法 .....................................88
5.2.2.2微波去除法 .......................................89
5.2.2.3預留去除孔法 .....................................90
5.2.3.4實驗結果與討論 ...................................92
5.3 陶殼模之鑄造研究 ....................................92
5.3.1 陶殼模鑄造流程 ....................................92
5.3.2 陶殼模鑄造實驗 ....................................94
5.3.2.1 澆口兼冒口之陶殼模鑄造 ..........................95
5.3.2.2 澆口與冒口分離之陶殼模鑄造 ......................96
5.3.2.3 實驗結果與討論 ..................................99
5.4工件實作與鑄造模具之研究結論 .........................100
第六章 結論與未來展望 ...................................101
6.1 結論 ................................................101
6.2 未來研究方向 ........................................102
附錄A:CLF成型機相關位置和電路設計圖 ....................107
附錄B:改良式切層技術之操作方法 .........................111
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