外文翻译--微透镜阵列注塑成型技术 中文版

1 微透镜阵列注塑成型技术 摘要 微透镜阵列注塑成型，可作为一种非常重要的大量生产技术。因此我们在近来的研究中非常关注， 为了进一步了解注塑成型在不同的加工条件下对可复制的微透镜阵列剖面的影响，如流量、填料压力和填料时间，对 3 种不同的高分子材料 (PS， PMMA 和PC)进行了大量的试验。 镍金属模具嵌件微阵列就是利用改良的 LIGA 技术电镀主装配的显微结构制造的。在表面轮廓得到测量的前提下，研究工艺条件对可复制的微透镜阵列的影响。实验结果表明， 填料压力和流速对注射模塑的终产品的表面轮廓有重要的影响。 原子力显微 镜测量表明， 微透镜阵列注塑成型的平均表面粗糙度值小于模具嵌件成型， 并在实际运用中，能与精细的光学元件相媲美。 1 说明 微型光学产品，如微透镜或微透镜阵列已广泛应用于光学数据存储、生物医学、显示装置等各个光学领域。微透镜和微透镜阵列不仅在实践应用上，而且在微型光学的基础研究上都是非常重要的。有几种微透镜或微透镜阵列的制作方法，如改良的 LIGA 技术，光阻回流进程，紫外激光照射等。还有复制技术，如注塑模压成型和热压技术 ，这种方法对于减少大规模生产的微型光学产品的成本尤为重要。由于其优越的生产和再生产能力 ，只要注塑成型过程中能很好的复制微观结构，那么肯定是最适合于降低大量生产成本的方法。 基于这点，检查注塑成型能力并确定成型加工条件是注塑成型微观结构过程中最重要的步骤。在本次研究中，我们考察了工艺条件对可复制的微透镜阵列的注射成型的影响。微透镜阵列是用之前介绍过的改良的 LIGA 技术来编制的。注塑成型实验采用的是一种镀镍金属模具，来探讨了几种不同工艺条件对成型的影响。通过对微透镜阵列的表面轮廓测量，用来分析工艺条件产生的影响。最后，利用原子力显微镜 (AFM)测量微透镜的表面粗糙度值的大小。 2 模具嵌件的制 造 利用改良的 LIGA技术， 在一个有机玻璃板上制造出具有几种不同直径微透镜阵列。 2 此种技术是先用 X 光照射有机玻璃板，然后再进行热处理两部分构成的。 X-射线照射引起有机玻璃分子质量的减少，同时降低了玻璃化转变温度，并因此导致净含量的增加，在热循环的作用下，微透镜发生微膨胀。利用中提出的方法，结合改良的 LIGA 技术可以预测微透镜形状的变化过程。 在试验中使用的微透镜阵列，有 500m (22 阵列 )， 300m (22)和 200m (55)的直径阵列，高分别是 20.81m， 17.21m和 8.06m。 采用改良的 LIGA 技术制造微透镜阵列作为一个主要的技术，用来制作镀镍的金属模具的注塑成型。另一些特殊材料，因为它们的强度不够或热性能差而不能直接进行微细加工，当作模具或金属模具使用，如硅、光阻剂或高分子材料。尽量使用具有良好机械性能和热性能的金属材料，因为它们能在可复型加工过程中经受高压力和不断变化的温度。因此，为了利用这种复制技术进行大批量生产，我们选择使用金属模具材料而不是有机玻璃硅晶体。一些特殊技术，如低压注塑成型 8技术，应该作为良好的复制加工方法被采纳。 电镀模具的最终大小为 30 mm30 mm3mm。镀镍金属模具所具有的微透镜阵列如图 1 所示。 图 1 镀镍模具嵌件的制造 （ a）直接观察；（ b）直径为 200 m 的微透镜阵列电子显微镜图像；（ c）直径为 300 m的微透镜阵列电子显微镜图像 3 注塑成型实验 传统注塑机 (Allrounders 220 M， Arburg)多用做实验机。注塑模具设计的模架就是利用一块框形支撑板固定镀镍模具 (如图 2 所示 )。 3 图 2 注塑 模具实验中使用的模架和嵌件 用修改的微透镜阵列确定模具零件孔形加强板 (在这次实验中，是一块矩形板 )的外部形状。模架本身已含有传输系统，如注射口，流道及浇口，通过支撑板、模具流道和滑动的模具表面将熔融聚合物引入模腔。用这种方法设计的模架，能够使模具零件更换起来简单容易。不过，有时候也使用具有特定孔径形状的支撑板。 实验主要用三种普通高分子材料， PS(615APR，陶氏化学 )，有机玻璃 (IF870， LG MMA)和 PC(Lexan 141R)进行注塑成型。这些高分子材料通常在光学元件上使用，它们有不同的折射 率 (PS， PMMA 和 PC 的折射率分别为 1.600， 1.490 和 1.586)，能生产出具有不同的光学特性的产品，例如 :具有相同的几何尺寸却有不同的焦距的光学元件。 通过改变每个高分子材料的流速，充填压力和充填时间获得 7 种加工条件进行注塑成型试验。此外，为了检查是否能可再生产，同一实验往往需要重复三次。可能有人会指出，实验中没有考虑模具温度的影响，这是因为温度效应相对来说不是主要因素，而且微透镜阵列曲率半径比其他微观结构的高宽纵横比大。正是因为较大的微观结构高宽纵横比，使我们目前研究的温度效应更加可靠，并计划在 将来实验时进行单独报告。 因此，在这项研究中，我们保持模具温度不变，而流速、充填压力和充填的时间都变化的情况下，能更清楚的观察其产生效果。表 1 详细的列出了三种高分子材料 PC， PMMA和 PS 在其他加工条件都保持不变，将模具温度分别设定为 80 ， 70 和 60 的情况下的实验结果。 表 1 注塑模具实验中详细的工艺条件 序号 流 速 (cc/s) 充填时间 (/s) 充填压 (MPa) 1 12.0 5.0 10.0 2 12.0 5.0 15.0 3 12.0 5.0 20.0 PS 4 12.0 2.0 10.0 5 12.0 10.0 10.0 6 18.0 5.0 10.0 4 7 24.0 5.0 10.0 PMMA 1 6.0 10.0 10.0 2 6.0 10.0 15.0 3 6.0 10.0 20.0 4 6.0 5.0 10.0 5 6 6.0 9.0 15.0 10.0 10.0 10.0 续表 1 序号 流 速 (cc/s) 充填时间 (/s) 充填压力(MPa) 7 12.0 10.0 10.0 PC 1 6.0 5.0 5.0 2 6.0 5.0 10.0 3 5 6.0 6.0 9.0 5.0 10.0 15.0 5.0 6 5.0 5.0 7 12.0 5.0 5.0 可能有人会指出，我们的实验没有考虑型腔出现真空状态时的情况，其实大可不必担心，因为在本研究中的注射阶段，大曲率半径的微透镜阵列不会把空气引入到型腔中。 4 讨论和结果 在详细讨论实验结果之前，认真思考一下，可能有助于总结为什么流速、充填压力和充填时间 (在这项研究中被选为不同的加工条件 )影响复制的质量。就流速而言，可能存在一个最 佳流速，而在完成充填之前，流速太小会使得熔融聚合物过冷却，从而可能导致所谓的短暂的不连续现象，而过高的流速增大了压力面积，这是不可取的。 充填阶段是一般要求，是要在冷却时能够弥补热熔融聚合物的体积收缩 。 因此，在这个阶段应有足够的熔融聚合物流入型腔并控制产品的尺寸精度。 越高的充填压力，越长的充填时间，将使更多的材料持续不断的流向型腔。然而， 过高的充填压力，有时可能造成不均匀的密度分布，从而产生劣质的光学质量。过长的充填时间，不利于在各自浇口处的冷凝，并且会阻止熔融聚合物流入型腔。因此，我们需要研究不同 的充填压力和充填时间所产生的影响。 5 4.1 表面轮廓 图 3 所示的是用电子显微镜 (SEM) 扫描的不同注塑微透镜的直径的 PMMA 图像 (a)以及不同 材料的图像 (b)。代表性的模具表面轮廓以及所有注塑微阵列都是通过三维轮廓测量系统 (NH-3N， Mitaka)测定的。 图 3 注塑模具的微透镜阵列和微透镜的电子显微镜图像 （ a） PMMA 微透镜阵列 （ b）不同材料直径为 300m微透镜阵列的注塑模具 作为一个可复制阵列的测量工具，我们已经确定了在模具与相应的模具嵌件分开的微阵列 之间轮廓的相对高度偏差，所有的微透镜阵列相对偏差值列在表 2 中，具体见表所示： 表 2 表面轮廓相对偏差 直径 (m) 相对偏差 (%) 1 2 3 4 5 6 7 PS 200 300 500 -7.62 5.86 2.38 -7.59 2.03 -0.38 2.08 2.86 0.51 -5.56 5.61 1.47 -8.66 60.16 1.47 -11.44 4.29 1.47 -9.47 5.73 1.95 PMMA 200 300 500 7.20 5.77 -0.66 1.31 5.60 -1.62 -3.88 6.45 3.98 -5.80 5.95 2.80 -0.97 5.95 -0.72 -8.53 6.68 -0.90 4.86 -2.62 -0.72 PC 200 300 500 23.02 6.20 -0.93 16.05 4.96 5.09 16.87 2.66 -1.86 19.66 4.53 1.88 33.97 4.78 6.96 18.67 1.79 2.43 -2.94 4.15 -1.55 6 值得 一提的是，高分子材料的塑性会影响其重复使用性能。 因此在研究中，三种高分子材料总的相对误差是各不相同的。 PC 是三种聚合物中最难注塑成型的材料。在直径最小的例子中产生最大的相对偏差，那都是意料之中的事。 在这种特殊情况下，充填时间并不对偏差产生显著影响，最好的解决方法是采用相对低的流速和充填压力。PS 和 PMMA 最小的直径的相对偏差要比 PC 小的多。 从表 2 可以看出，直径越大，相对偏差越小。当然，在注射和保压阶段，直径大的微透镜阵列容易比直径小的更容易填补，不管是在什么加工条件下和使用什么材料，大直径的微透镜阵 列一般都能得到较好的复型。研究发现直径 500m的 PS 最好复型，一般而言，与 PMMA 和 PC 相比较， PS 具有良好的成型性能。 根据表 2 的数据，在考察最 小的直径的 PS 和 PMMA 的相对偏差时，可能会有人提出一些消极的观点，认为偏差过大，但是在这些数据中可以得到，高度上的绝对偏差在0.1m 左右，这是在测量系统误差 范 围以内。 所以，在解读复型实验数据时可以忽略这些消极的观点。 直径为 300m的 PC 和 PMMA 微透镜表面轮廓分别如图 4 和图 5 所 示。正如之前所述，在图 4 所示的 PC 中，越高的充填压力或越高流速复制微透镜时 效果越好，而充填时间在这些复型例子中只起一点作用。如图所示， 对于 PMMA 来说，充填压力和充填时间的作用微不足道；然而，流速对于 PC 也有类似的效果。 它可以提醒我们注意如果一个浇口冻结了，并阻止材料流入型腔时，充填时间并不影响复型。 因此，经过一段时间后，充填时间的影响，主要取决于加工条件。 7 图 4 直径为 300 m的 PC 微透镜表面轮廓 a 充填压力的影响 b 流速的影响 c 充填时间的影响 图 5 直径为 300 m的 PMMA 微透镜表面轮廓 a 充填压力的影响 b 流速的影响 c 充填时间的影响 4.2 表面粗糙度 直 径 300m 的微透镜和模具嵌件的平均表面粗糙度 Ra 的值，是用原子力显微镜(Bioscope AFM，数字仪表 ) 测量的。测量了每个微透镜顶点周围面积为 5m5m区域， 图 6 所示的是原子力显微镜图象和所测量的微透镜 Ra 的值。 PMMA 微透镜复型具有最低的 Ra 值，为 1.606nm。 通过 AFM 的测量表明，注塑成型微透镜阵列的 Ra 值 比相 对应的 模具嵌件要小。 因此，现在还不清楚如何改善可复制微透镜阵列的表面粗糙度，也许可以从冷却过程的回流而造成的表面张力入手，它可能会进一步得出，在实际运用中，微透镜阵列注塑成型的平均表面粗糙度值能与精细的光学元件相媲美。 8 a 镀镍模具嵌件 ； b PS； c PMMA； d PC 图 6 直径为 300 m 的模具嵌件和注塑模具微透镜的原子力显微镜 (AFM)图像和平均表面粗糙度 Ra 值 4.3 焦距 焦距可以通过下面这个著名的等式计算得出： 1 121 1 1( 1 ) ( )nf R R 式中 f， nl， R1 和 R2 分别指焦距，透镜材料的折射率，两个主曲率半径。比如，根据等式可以计算得出，直径为 200 m 的模具微透镜的焦距大约为 1.065mm(其中R1=0.624mm和 R2= )，直径 300的微透镜大约为 1.130mm (其中 R1=0.662mm和 R2= )，直径 500 m 的微透镜大约为 2.580mm(其中 R1=1.512mm 和 R2= )。 (1)这些计算结果是基于假设与模具嵌件具有相同形状的 PC(nl=1.586)可复型的微透镜而得到的，所以由此推导出的几何尺寸可能与实验 所测量的焦距相反。 5 总结 通过使用改良的 LIGA 技术电镀镍金属模具嵌件，改变各种加工条件进行大量的实验，研究工艺条件对可复型的微透镜的注塑成型过程的影响。结果显示越高的充填压力或越高流速，能得到越好的可复型效果。 相比之下，充填时间对微透镜阵列复型的影响却很小。 也许是因为冷却阶段回流的表面张力造成的，注射成型微透镜阵列比模具嵌件有更小的平均表面粗糙度值， PMMA 复型的微透镜阵列具有最好的表面质量 (即最低粗糙度值 Ra=1.606 nm)。在实际应用中，注塑成型微透镜阵列的表面粗糙度能与精密的 光学元件相媲美。就凭这一点，注塑成型将成为大规模生产微透镜阵列的一个有用方法。 1 现代 模具 技术 引言 随着全球经济的发展，新的技术革命不断取得新的进展和突破，技术的飞跃发展已经成为推动世界经济增长的重要因素。市场经济的不断发展，促使工业产 品越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展，为了保持和加强产品在市场上的竞争力，产品的开发周期、生产周期越来越短，于是对制造各种产品的关键工艺装备 模具的要求越来越苛刻。 一方面企业为追求规模效益，使得模具向着高速、精密、长寿命方向发展； 另一方面企业为了满足多品种、小批量、产品更新换代快、赢得市场的需要，要求模具向着制造周期短、成本低的快速经济的方向发展。计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，使得快速经济制模技术如虎添翼，应用范围不断扩大，类型不断增多，创造的经济效益和社会效益越来越显著。 1.注塑模具设计 注塑成型使用温度依赖性改变材料性能，通过使用模具取得最后的形状离散部件完成或接近完成尺寸。在这种制造过程中，液体材料是被迫填入，在型腔模具内凝固。 首先，要创造一个模式塑造需要一个设计模型和一个载箱。 首先，要创造一个模式塑造需要一个 设计模型和一个载箱。设计模型代表了成品，而载箱代表模具组件的总体积。注塑模具设计涉及模具结构与功能的组成部分广泛的经验知识 (启发式知识 )。典型的过程中塑造新的发展可以分为四大阶段 :产品设计，模具的能力评估，部件详细设计，插入型腔设计和详细的模具设计。 在开始阶段，产品概念是在一起由几个人 (通常是一个组合营销和工程 )完成。开始阶段主要焦点是分析市场的机遇与适应战略。在第一阶段，典型相关工艺制造信息被添加到设计中，设计出几何细节。概念设计利用适当的制造信息转化为可制造的物品。在第二阶段，脱模方向和分型线位置用来 检测模具的能力。否则，零件形状再次修改。在第三阶段，零件几何是用来建立模具的型芯和型腔形状，模具的型芯和型腔，将用来形成零件。一般，收缩和扩张需要加以考虑，这样，在处理温度下，成型将具有正确的尺寸和形状。浇口、流道、冷料穴、通风口也需要加以补充。几何数据和分模信息之间的联系在这一点是至关重要的。第四阶段与模具总体机械结构相关，模具总体机械结构包括连接模具到注塑机，注塑机是用于浇注、冷却、取出和模具装配的机械装置。零件的热处理工序，在使零件获得要求的硬度的同时，还需对内应力进行控制，保证零件加工 2 时尺寸的稳定性 ，不同的材质分别有不同的处理方式。随着近年来模具工业的发展，使用的材料种类增多了，除了 Cr12、 40Cr、 Cr12MoV、硬质合金外，对一些工作强度大，受力苛刻的凸、凹模，可选用新材料粉末合金钢，如 V10、 ASP23 等，此类材质具有较高的热稳定性和良好的组织状态。针对以 Cr12MoV 为材质的零件，在粗加工后进行淬火处理，淬火后工件存在很大的存留应力，容易导致精加工或工作中开裂，零件淬火后应趁热回火，消除淬火应力。淬火温度控制在 900-1020 ，然后冷却至 200-220 出炉空冷，随后迅速回炉 220 回火， 这种方法称为一次硬化工艺，可以获得较高的强度及耐磨性，对于以磨损为主要失效形式的模具效果较好。生产中遇到一些拐角较多、形状复杂的工件，回火还不足以消除淬火应力，精加工前还需进行去应力退火或多次时效处理，充分释放应力。针对 V10、 APS23 等粉末合金钢零件，因其能承受高温回火，淬火时可采用二次硬化工艺， 1050-1080 淬火，再用 490-520 高温回火并进行多次，可以获得较高的冲击韧性及稳定性，对以崩刃为主要失效形式的模具很适用。粉末合金钢的造价较高，但其性能好，正在形成一种广泛运用趋势。 1.1.执行 事实表明， SolidWorks 的 API 接口采用了面向对象的方法和 API 函数允许选择对象语言，例如 :作为编程语言的 Visual C+。利用这种方法，在 Windows NT下，基于 Windows的注塑模具三维设计的应用软件通过 Visual C+的代码与商业软件 SolidWorks99 接口开发。这个应用模具设计过程分为几个阶段，提供模具设计者制造模具设计可靠方法。图3 概述了这个框架。每一个阶段可以视为一个独立程序模块。几个单元已成功使用SolidWorks 开发 .它们中的两个模板模块和分模模块如下所示。 1.2 基于模架设计的模具 基于模架设计的模具与所有的组件和配件，像 HASCO， DME， HOPPT， LKM 和FUTABA 可自动创建参数化标准模板。设计师常用可以轻松地定制模板的这种模架。主要特点包括 :像支柱、浇道衬套、两板，三板那样的标准模架组件的实用性，以及定制非标准模具模板基于。模架设计的模具分为四个主要部分，即构件库 (包括标准和非标准件库 )，设计表中的尺寸驱动功能，结构关系管理。在这里， SolidWorks 提供了尺寸驱动的功能是，以支持其申请。 （ 1）组件库 为了在这竞争日益激烈的世界加强模具设计能力，降低 设计成本和缩短生产周期，减少人力、自动化等是达到这一目的主要因素。换句话说，使用计算机软件是非常必要的。 计算机软件能够容易地创建，修改，分析模具设计的部件，更新变化中的设计模型。为达到这个目标，三维构件库提供储存标准和非标准零部件的数据，其尺寸是储存在 Microsoft Excel 中 。通过指定合适的尺寸，这些组件可以生成和插入装配结构。 这个库是完全可定制和设计师能放入自己的部分加入组件库。表面处理及组配 , 零件表面在加工时留下刀痕、磨痕是应力集中的地方，是裂纹扩展的源头，因此在加工结束后， 3 需要对零件进 行表面强化，通过 钳工 打磨，处理掉加工隐患。对工件的一些棱边、锐角、孔口进行倒钝， R 化。一般地，电加工表面会产生 6-10m左右的变质硬化层，颜色呈灰白色，硬化层脆而且带有残留应力，在使用之前要充分消除硬化层，方法为表面抛光，打磨去掉硬化层。在磨削加工、电加工过程中，工件会有一定磁化，具有微弱磁力，十分容易吸着一些小东西，因此在组装之前，要对工件作退磁处理，并用乙酸乙脂清洗表面。组装过程中，先参看装配图，找齐各零件， 然后列出各零件相互之间的装备顺序，列出各项应注意事项，然后着手装配模具，装配一般先装导柱导套，然后装模架和凸凹模，然后再对各处间隙，特别是凸凹模间隙进行组配调整，装配完成后要实施模具检测，写出整体情况报告。对发现的问题，可采用逆向思维法，即从后工序向前工序，从精加工到粗加工，逐一检查，直到找出症结，解决问题。 （ 2）尺寸驱动 SolidWorks 提供了强有力的尺寸驱动功能，以支持参数化设计。储存在 Microsoft Excel 中的尺寸和几何存在逻辑关系。当尺寸设置与相应物件几何参数设置相结合，可以获得确切的 模型。 （ 3）设计表 设计表允许设计师在嵌入的 Microsoft Excel 制表中通过具体参数建立多种零部件配置。设计表保存在零件文件夹，是用来存储的尺寸， 制止特点和性能配置， 其中包括在材料，组件和客户的要求中的零件数量。 当增加适当的尺寸，设计表将包含所有必要的信息，以建立一个精确的装配模型。 （ 4）结构关系管理 本部分讲述了组建模板之间的结构关系，从设计表供应的某些参数设置能帮助模具设计师插入这些部件装配结构， 因此，一个特定的装配模板就可以自动生成。 1.3 分模模块 一些分模算法以前就报导过 。在这方面的发展，分模用来处理型芯和型腔。在注塑模具计算机辅助设计系统中，这是一个最重要的模块。设计一个模具模型需要有设计模型， 工件和有效分型面。设计模式体现了成品，而装载箱体现了模具组件的总量。为了把工件分成型芯和型腔，设计模型首先从工件中去除。然后用分模面把工件塑造成半，常指型芯和型腔。当熔融塑料射入型腔，模具对立的两面形成成品。凝固后，两半模子沿分模面 d 和 d 分别移开。然后获得了实际部分。 (1) 分模方向决定 型芯和型腔打开的相反两个方向就是分模方向，为了形成分型线，分模方向应首先确定。 分模方向 影响分型线定位。分型线决定了模具的复杂度。 在大多数情况下， 分模方向是由几何和制造问题同时决定。 (2) 识别和修补 穿孔 当产品中有穿孔，设计者必须标明孔的分模位置，在这些孔里边生成分型面。在这 4 篇论文中，这就是所谓的 补丁 。表面都需要用来修补的通孔。 由于上模具和下模具在通孔处相连。如果没有事先修补通孔，模具是不能分开，型芯和型腔不能自动创建 (见图 6b)。 (3) 确定分型线和顶出方向 在成型中，模具的设计是提高模具质量的最重要的一步，需要考虑到很多因素，包括模具材料的选用，模具结构的可使用性及安全 性，模具零件的可加工性及模具维修的方便性，这些在设计之初应尽量考虑得周全些。 模具材料的选用既要满足客户对产品质量的要求，还需考虑到材料的成本及其在设定周期内的强度，当然还要根据模具的类型、使用工作方式、加工速度、主要失效形式等因素来选材 .一组零件的表面由型芯塑造，而另一组是由型腔塑造。分型线因此是由型芯和型腔塑造的两组表面的相交线。分型线在表面组选择最大边缘线。从分型线到型芯或型腔边界，顶出方向在顶出过程中，分型线将会跟随。分型线是垂直于分模方向，平行于模具工件面的表面法线 (见图 6c) 图（ 6） 5 (4) 分型面生成 分型面是型芯和型腔的匹配面。分型面可以作为分裂面把模具分成两半。两种方法可以用来生成分型面。席卷法：分型面通过顶出分型线到型芯和型腔外边界形成。拉伸方法：在 SolidWorks 中，分模面可以使用拉伸分模线到指定距离的方法创建，这个距离要足够大，大到可以沿伸到工件的外表面。 (见图 6e) (5) 工件的创建 物件装入工件中，工件外围额外空间用计算机计算。工件大小由物件的几何大小、模具强度、模具参数 决定。模具参数可以有效定义模具装配。 (6) 型芯和型腔的生成 为了生成型芯和型腔，工件被子分成两半。首先，设计模型从工件中取出。在工件内部获得一个空的空间。然后，分模面和修补面被使用把工件分成型芯块和型腔块。最后，在模拟模具开启过程和检查模具组件之间的干扰后，工件两半分别沿分模方向 d 和d 从分模面分离 (图 6g)。 2 快速经济制模技术类型 快速经济制模技术与传统的机械加工相比，具有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满足生产上的使用要求，是综合经济效益比较显著的一类制造模具的技术，概括起来，有以下几种类别。 2.1 快速原型制造技术 快速原型制造技术简称 RPM，是 80 年代后期发展起来的一种新型制造技术。美国、日本、英国、以色列、德国、中国都推出了自己的商业化产品，并逐渐形成了新型产业。 RPM 是电脑、激光、光学扫描、先进的新型材料、计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助加工 (CAM)、数控 (CNC)综合应用的高新技术。在成型概念上以平面离散、堆积为指导，在控制上以计算机和数控为基础，以最大柔性为总体目标。它摒弃了传统的机械加工方法，对制造业的变革是一个重大的突破，利用 RPM 技术可以直接或间接地快速制模，该技术已被 汽车、航空、家电、船舶、医疗、模具等行业广泛应用。下面简述一下目前已经商业化的几种典型快速成型工艺。 2.1.1 激光立体光刻技术 (SLA) SLA 技术是交计算机 CAD 造型系统获得制品的三维模型，通过微机控制激光，按着确定的轨迹，对液态的光敏树脂进行逐层扫描，使被扫描区层层固化，连成一体，形成最终的三维实体，再经过有关的最终硬化打光等后处量，形成制件或模具。 激光立体光刻技术主要特点是可成型任意复杂形状，成型精度高，仿真性强，材料利用率高，性能可靠，性能价格比较高。适合产品外型评估、功能实验、快速制造电极和各种快速经济模具。但该技术所用的设备和光敏树脂价格昂贵，使其成本较高。 6 2.1.2 叠层轮廓制造技术 (LOM) LOM 技术是通过计算机的三维模型，利用激光选择性地对其分层切片，将得到的各层截面轮廓层层粘结，最终叠加成三维实体产品。 其工艺特点是成型速度快，成型材料便宜、成本低，因无相变，故无热应力、收缩、膨胀，翘曲等，所以形状与尽寸精度稳定，但成型后废料块剥离较费事，特别是复杂件内部的废料剥离。该工艺适用于航空、汽车等和中体积较大制件的制作。 2.1.3 激光粉末选区烧结成型技术 (SLS) SLS 技术是将计 算机的三维模型通过分层软件将其分层，在计算机控制下，使激光束依据分层的切片截面信息对粉末逐层扫描，扫描到的粉末烧结固化 (聚合、烧结、粘结、化学反应等 )，层层叠加，堆积成三维实体制件。该技术最大特点是能同时用几种不同材料 (聚碳酸脂、聚乙烯氯化物、石蜡、尼龙、 ABS、铸造砂 )制造一个零件。 2.1.4 熔融沉积成型技术 (FDM) FDM 技术是由计算机控制可挤出熔融状态材料的喷嘴，根据 CAD 产品模型分层软件确定的几何信息，挤出半流动状态的热塑材料沉积固化成精确的实际制件薄层 ，自下而上层层堆积成一个三维实体，可直接 做模具或产品。 2.1.5 三维印刷成型技术 (3D-P) 3D-P 技术用微机控制一个连续喷墨印刷头，依据分层软件逐层选择性地在粉末层上沉积液体粘结材料，最终由顺序印刷的二维层堆积成一个三维实体，犹如不使用激光的快速制模技术。该技术主要应用在金属陶瓷复合材料的多孔陶瓷预成型件上，其目标是由 CAD 产品模型直接生产模具或功能性制作。 2.2 表面成型制模技术 表面成型制模技术，主要是利用喷涂、电铸、化学腐蚀等新的工艺方法形成型腔表面及精细花纹的一种工艺技术，实际应用中包括以下几种类型。 2.2.1 电弧喷涂成型制模 技术 电弧喷涂成型技术的原理是：利用 2 根通电的金属丝之间产生电弧的热量将金属丝熔化，依靠高压气体将其充分雾化，并给予一定的动能，高速喷射在样模表面，层层镶嵌，形成一金属壳体，即型腔的内表面，再用充填基体材料 (一般为金属粉粒与树脂的复合材料 )加以支撑加固，提高其强度和刚性，连同金属模架组合成模具。这种制模技术工艺简单、成本低，制造周期非常短，型腔表面的成型仅需几个小时，节省能源和金属材料，一般型腔表面仅 2-3mm厚，仿真性极强，花纹精度可达到 0.5 m。 目前该技术被广泛地用于飞机、汽车的内饰件模具、家电、家 俱、制鞋、美术工艺品等表面形状复杂及花纹精细的各种聚氨酯制品的吹塑、吸塑、 PVC 注射、 PU 发泡及各类注射成型模具中。 2.2.2 电铸成型技术 电铸成型技术的原理同电镀一样，是依样模 (现成制品或按制品图纸制成的母模 )为 7 基准 (阴极 )，置放在电铸液中 (阳极 )，使电铸液中的金属离子还原后一层一层地沉积在样模上，形成金属壳体，将其剥离后，与样模接触的表面即为模具的型腔内表面。 该技术主要特点是节省材料、模具制造周期短，电铸层硬度可达 40HRC，提高了耐磨性和寿命，粗糙度、尺寸精度与样模完全一致，适用于注 射、吸塑、吹塑、搪塑、胶木模、玻璃模、压铸模等模具型腔及电火花成型电极的制造。 2.2.3 型腔表面精细花纹成型的蚀刻技术 蚀刻技术是光学、化学、机加工综合应用的一种技术，它的基本原理是先把花纹图案制成胶片，再把胶片上的花纹图案复制在已涂上光敏材料的模具型腔表面上，经过化学处理，模具型腔表面形成不被蚀刻部分的保护层，再根据模具材质，选择相应蚀刻工艺，将花纹图案蚀刻在模具内表面上。 该技术的主要特点是时间短、费用低，修补破损花纹图案可做到天衣无缝。 2.3 浇铸成型制模技术 浇铸成型制模技术的共同特点是依样件为 基准，浇铸出凸、凹模，型腔表面不需要机械加工。实际制模中主要有以下几种类型。 2.3.1 铋锡合金制模技术 铋锡合金快速制模技术是经样件为基准，以 Bi-Sn(铋锡 )二元共晶合金 (熔点 138，胀缩率万分之三 )为材料，有精密铸造的方法同时铸出凸模、凹模、压边圈的一种技术。该技术的特点是制模成本低，合金可重复使用，制造周期短，尺寸精度高，形状、尺寸与样件完全相符，一次铸模寿命可达 500-3000 件，非常适合新产品开发、工艺验证、样品试制及中小批量和平。 2.3.2 锌基合金制模技术 这是一种以样件 (或样模 )为基准， 以熔点为 380左右的锌基合金为材料，分别浇注凸、凹模，原则上型腔表面不进行机械加工的一种制模技术。该技术特点是制模成本低、周期短，适用于制作薄板大型拉伸模、冲裁模及塑料模。 2.3.3 树脂复合成型模具技术 这是一种以样模 (或工艺模型 )为基准，以树脂或其复合材料为流体材料，先浇注出凸 (凹 )模，再依据凸 (凹 )模贴上蜡片 (间隙层 )，浇注凸 (凹 )模。该技术成型的型腔表面不需机械加工。该技术与 CAD/CAM 相结合，特点是模具尺寸精度高、制造周期短、成本低，是新产品试制、小批量生产工艺装备的新途径。适用于制作大型覆 盖件拉伸模 (也可局部镶钢 )、真空吸塑、聚氨酯发泡成型模、陶瓷模、仿型靠模、铸造模等。 2.3.4 硅橡胶制模技术 该技术以制件原型或模型为基准，将柔态硅橡胶制做成块，再靠高压力与模型完全吻合。 8 2.4 挤压成型技术 2.4.1 冷挤压成型 利用铍铜合金的良好的导热性和稳定性，经固熔时效处理后，采用冷挤压制造模具凹模型腔。其特点是制造周期短，型腔精度高 (IT7 级 )，表面粗糙度 Ra=0.025 m,强度高，寿命可达 50 万次，无环境污染。 2.4.2 超塑成型制模技术 该技术是利用金属材料在细化晶粒、一定成型温度、 低变形速率条件下，材料具有最佳超塑性时，将事先制作好的凸模，用较小的力便可挤压出凹模的一种快速经济制模技术。超塑成型材料的典型代表是 Zn-22%AL。 2.5 无模多点成形技术 无模多点快速成形技术是以 CAD/CAM/CAT 技术为主要手段，利用计算机控制高度可调基本体群形成上下成形面，代替传统模具对板料进行三维曲面成形的又一现代先进制造技术。此项技术可以随意改变变形路径与受力状态，提高材料的成形极限，可反复成形，以此消除材料内部的残余应力，实现无回弹成形。 2.6凯维朗 (KEVRON)钢带冲裁落料制模技术 新型钢带冲裁落料制模技术是一种不同于一般具有凸、凹模结构的钢带模，它是由单刃钢带与特制垫板组成的新型快速经济制模技术。这种模具重量轻，一般只有 200kg，加工精度为 0.35-0.50mm，可适合各种黑色和有色金属的 0.5-0.65mm 厚的板料加工。寿命可达到 5-25 万次，制造成本低。 2.7 模具毛坯的快速制造技术 实型铸造 由于大量的模具是属于单件或小批量生产，模具毛坯的制造质量和周期及成本对最终的模具质量和周期及成本的影响是至关重要的。 现代模具毛坯已广泛地采用子实型铸造技术，所谓实型铸造就是利用泡 沫塑料 (聚苯乙烯 PS 或聚甲基丙烯酸酯 PMMA)制作代替传统的木模或金属模，造型后不需取出模型，便可以浇铸，泡沫塑料模型的高温液体金属作用下，迅速燃烧气化而消失，金属液取代原来泡沫塑料模型所占有的位置，冷凝后形成铸件。实型铸造在实际应用中有下列几种情况。 2.7.1 干砂实型铸造 即用 55-100 目的全干没有任何粘结剂的石英砂造型，用 EPS 或 PMMA 泡沫塑料制作的模型涂挂 0.2-1mm厚透气性良好的耐火涂料层，以提高铸件表面光洁度，防止粘砂或塌箱。 2.7.2 负压实型铸造 负压实型铸造又称 V 法造型。该 技术是使用全干而无粘结剂的石英砂做型砂，用EPS 或 PMMA 泡沫塑料做模型，在塑料薄膜的密封条件下，让整个铸型在负压条件下 (真空度 0.4-0.67MPa)进行液体金属浇铸，铸件凝固后解除负压即可得到表面光洁的铸件。 9 2.7.3 树脂砂实型铸造 利用树脂砂做型砂，用 EPS 或 PMMA 泡沫塑料做模型，在常温、常压下进行液体金属浇铸而制取铸件。利用实型铸造的技术制造模具毛坯具有尺寸精度高 (ISO9 级 )，加工余量小 (一般在 5mm左右 )，不需要拔模斜度，不需要制型芯与泥芯撑，节省金属材料，节省做木模型的木材，制造周期短， 成本低。该技术适合大型、复杂、单件模具毛坯的生产。陶瓷型精铸、失蜡精铸等技术在提高模具毛坯精度、降低加工工时、缩短制造周期、降低成本等方面也显示出其特有的优越性。 2.8 其它方面技术 为了简化模具的结构设计，降低模具成本，缩短模具制造周期，在国内外也先后出现了一些其它方面新技术的应用，如快换模架、冲压单元、刃口堆焊、镶块铸造、氮气弹簧等。 2.8.1 氮气