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基于快速原型的快速模具制造技术的研究 摘要 市场竞争的不断加剧，要求企业必须快速响应市场和用户的需求变化，促使工业生 产越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展。模具是制造各种产品的关键 工艺装备，为了加强产品在市场上的竞争力，客观上要求缩短模具的开发周期、降低模 具的制造成本。基于快速原型的快速制模技术具有制模周期短、成本低、精度与寿命又 能满足生产使用要求的特点，对于中小型模具的制造，具有比较显著的综合经济效益。 分层实体制造技术( l o m ) 和熔融沉积制造技术( f d m ) 是在国内广泛应用的快速成 型工艺。通过这两种成型工艺得到的原型，因材质和成型工艺的限制，不能直接作为模 具使用。因此，必须采用高精度、低成本的工艺路线，将l o m 和f d m 非金属原型经过中 间转换，变为满足生产使用要求的注塑模或用于模具加工的电火花电极。 电铸工艺具有极高的复制精度和重复精度，能很好地再现原型的精度；化学镀具有 镀层均匀、分散能力强的优点，适合于l o m 和f d m 非金属原型的表面导电化；电弧喷涂 具有生产效率高、涂层结合力强的特点，适合于电铸层的裱褙加固。本课题正是研究如 何利用l o m 和f d m 原型，结合化学镀、电铸和电弧喷涂等技术，实现注塑模或电火花电 极的快速经济制造。 论文首先展开对电铸、化学镀和电弧喷涂工艺的研究，在对脉冲电铸、化学镀和电 弧喷涂加工机理进行详细分析的基础上，采用正交试验等方法进行大量的工艺试验，完 成脉冲电铸、化学镀和电弧喷涂工艺参数的优化。 针对l o m 快速原型的特点，采用浇注树脂反型和封闭特殊涂料两种方法，解决了l o m 纸质原型化学镀铜的难题；以优化的工艺参数对l o m 原型脉冲电铸铜，得到复制精度很 高的电火花电极的工作部分；采用电弧喷涂铜对电极工作部分进行加固，得到具有良好 的导电导热性能、结合力强的背衬，从而实现电火花电极的快速制造。 最后结合f d m 快速原型的特点，通过对其化学镀镍和电铸镍，得到具有良好机械性 能和耐腐蚀性能的模具型腔，然后组合使用电弧喷涂z n - a l 伪合金和环氧树脂浇注，对 模具型腔进行背衬加固，实现注塑模的快速经济制造。 关键词：快速成型技术；快速模具制造；熔融沉积制造；分层实体制造；电铸；化学镀 电弧喷涂；电加工电极 兰王竺垄堕型苎查堕堡苎堡墨型堕 a b s t r a c t a st h er e s u l to ft h es t i n g i n gm a r k e tc o m p e t i t i o n ，m o d e r nm a n u f a c t u r i n gi s d e v e l o p i n gt o w a r dt h em o d eo f1 0 wv o l u m e ，m a n yt y p e s ，h i g hq u a l i t y ，l o wc o s t a n d p r o m p t l y m a r k e t r e s p o n d m o l d d i e s a r et h e k e y t o o l si nm o d e r n m a n u f a c t u r i n g ，t h e r e f o r ei no r d e rt oe n h a n c ep r o d u c tc o m p e t i t i v e n e s s ，t h e d e v e l o p m e n ta n df a b r i c a t i o i lp e r i o do fm o l d sa n dd i e sm u s tb e s h o r t e da n dt h e p r o d u c t i o nc o s tm u s tb e c u t d o w n r a p i dt o o l i n g ，w h i c h i sb a s e do n r a p i d p r o t o t y p i n g ，c a nc u td o w nt h ec o s ta n ds h o r t e nt h em a n u f a c t u r i n gc y c l eo fm o u l d d i e sw i t hh i 曲p r e c i s i o na n ds u f f i c i e n to p e r a t i o n a li i f ep r o o fc y c l e i ti s e s p e c i a l1 y e c o n o m i c a lf o rt h ef a b r i c a t i o no fs m a lla n dm e d i u mm o l d d i e s l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ( l o m ) a n df u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) h a v eb e e nw i d e l ya p p l l e di nr a p i dp r o t o t y p i n gi nc h i n a 。w h i l et h er a p i dp r o t o t y p e m a yb ei n d e e dr a p i d l ym a n u f a c t u r e d ，t h em a t e r i a li ti sm a d eo fd o e sn o tw i t h s t a n d t h ew o r m n gc o n d i t i o n so fm o l d d i e s t oc o n v e r tt h en o n m e t a l i i cl o mo rf d m p r o t o t y p ei n t oe d me l e c t r o d eo rm o l d ，ah i g hp r e c i s i o na n d1 0 wc o s tt e c h n o l o g i c a l f l o wi st h e r e f o r en e c e s s a r y i nt h i st h e s i s ，at e c h n i q u eo fr a p i d l ym a n u f a c t u r i n ge d me l e c t r o d eb a s e d o i ll o mp r o t o t y p ew a s i n v e s t i g a t e d t om a k et h ep r o t o t y p ee l e c t r i c au n i f o r m a n dp e r f e c td i s p e r s e dc o a t i n gi so b t a i n e db yc o p p e re l e c t r o l e s sp l a t i n g a f t e r c o p p e r , e l e c t r o f o r m i n go nt h ee l e c t r i cl o mp r o t o t y p e ， ap r e c i s e l yr e p l i c a r e d d e p o s i t i o nm a d eo fc o m p a c tc r y s t a ti sf o r m e da st h ew o r k i n gp a r to ft h ee l e c t r o d e t ob a c ku pt h ew o r k i n gp a r to ft h ee l e c t r o d e ，c o p p e ra r c w i r es p r a y i n gp r o d u c e s as t r e n g t h e n e df i l l i n gp a r tw i t hh i g ha d h e s i o ns t r e n g t h ，b e t t e re l e c t r i c i t ya n d h e a t c o n d u c t i v i t y t h r o u g h t h ec o m b i n a t i o no f r a p i dp r o t o t y p i n g ，c o p p e r e l e c t r o l e s sp l a t i n g ，p u l s ec u r r e n tc o p p e re l e c t r o f o r m i n g ，a n dw i r e a r cc o p p e r s p r a y i n g ，h i g h q u a l i t ye d me l e c t r o d e sc a nb es u c c e s s f u l l ym a n u f a c t u r e d at e c h n i q u eo fr a p i d l ym a n u f a c t u r i n gm o l dc a v i t yi sa l s oi n v e s t i g a t e di n t h i st h e s i s t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ff d mp r o t o t y p i n g ，n i c k e le l e c t r o l e s s p l a t i n g ，p u l s e c u r r e n tn i c k e le l e c t r o f o r m i n g ，a n dz n a 1w i r e a r c s p r a y i n g ， m o u l dc a v i t i e sw i t hh i g hm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ea n dc a u s t i c i t y r e s i s t a n tc a n b er a p i d l ym a n u f a c t u r e d k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ；r a p i d t o o l i n g ；f u s e dd e p o s i t i o n m o d e l i n g ( f d m ) ； l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ( l o m ) ；e 1 e c t r o f o r m i n g ：e l e c t r o l e s s p l a t i n g ；w i r e a r cs p r a y i n g ； e d me l e c t r o d e 兰兰堡垩垦型塑堡望堡墨型垄垫查塑里塾 1 绪论 1 1 选题依据 1 1 1 课题的提出 模具是现代工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备，在某些产品( 如塑料件) 的 批量化成形加工中，模具成形甚至是唯一的加工工艺。模具在成形工艺中对成形件尺寸、 形状精度和内在质量具有重要作用。 传统的机械加工方法制造的模具具有高投入、长工期、长寿命的特点，对于大、中 批量生产，模具的这种高投入可由其长寿命加以补偿。2 0 世纪8 0 年代以来，随着市场 竞争的日趋加剧，要求企业必须能快速响应市场和用户的需求，促使工业产品的生产模 式由传统的大、中批量向具有灵活、易变性和快速反应能力的中、小批量转变。在这种 条件下，传统的模具制造方法由于其自身固有的生产周期长、投入风险高、产品改进困 难等缺点，在一定程度上成为企业在市场竞争中发挥活力的制约因素。 针对传统的机械加工模具制造技术的上述缺点，近年来研究开发了适用于新产品、 样机试制和中、小批量规模生产的基于快速原型技术的快速模具技术。快速模具的基本 技术特征是非机械加工型腔复制，其关键技术之一是母模原型件的设计与制造。传统的 快速制模一般采用已有制件或机加工件作为母模，对于较复杂的和精度要求较高的快速 模具，传统的母模设计制造模式显得束手无策，已成为制约快速模具制造技术发展的瓶 颈。基于快速原型制造的快速模具技术集成快速原型制造高新技术和传统的非机械加工 型腔复制技术，发挥各自优势，已成为产品快速更新换代和新产品开发及中、小批量生 产的有效手段之- - 1 2 1 。 随着计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，快速原型及快速制模技术如虎 添翼，应用范围不断扩大，类型不断增多。快速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使用要求的特点，可以迅速响应市场和 用户需求的变化，加快产品投放市场的速度，对于形状比较复杂的中小型模具，具有比 较显著的综合经济效益。 在快速制模技术中，制造出尺寸精度比较高的快速原型是前提，但大部分快速成型 得到的原型因材质和成型工艺的限制，不能直接作为模具使m t 3 j 。只有解决好快速原型 向模具的转化，并且保证工艺转换过程中尺寸精度的保持，才能真正实现模具的快速经 济制造。 本课题“基于快速原型的快速模具制造技术的研究”正是在这种背景下提出的。 1 1 2 课题来源 本课题“基于快速原型的快速模具制造技术的研究”来源于国家自然科学基金重点 赁助项目“面向快速制造的特种加工理论与技术基础”( 项目批准号： 5 9 9 3 5 1l o ) ( 2 0 0 0 1 - 2 0 0 2 1 2 ) ，是其五大研究内容之一的“基于r p 技术的特种加工方法与 技术及面向r p 技术的特种加工工艺组合技术研究”的重要组成部分。 1 2 快速原型技术及其发展现状 1 基于快速原型的快速模其制造技术的研究 1 2 - 陕速原型技术及其发展现状 快速成形制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，简称r p m ) 是2 0 世纪 8 0 年代末期迅速发展起来的一种先进制造技术。它将在计算机上可见的设计图形，迅速、 准确地变成产品原型或直接制造零件，因此对缩短产品开发的周期、减少开发费用、提 高市场竞争能力都具有重要的现实意义。r p m 技术是集合计算机技术、c a d 、机械工 程、数控技术、检测技术、激光技术和材料科学的高新技术，十几年来，该技术在国内 外得到了迅速的发展，并将成为2 1 世纪制造业的重要组成部分。 1 2 1 快速原型技术的原理及特点 任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向迭加而成，因此可利用分层 切片软件，将计算机产生的三维c a d 实体模型处理成一系列薄截面层，并根据各截面 层形成的二维数据，控制材料在工作台上一层一层地生成二维轮廓，用粘贴、熔结、聚 合作用或化学反应等手段，逐层地同化液体( 或粘结固体) 材料，从而快速堆积制作出 所要求形状的零部件( 或模型) 。其基本原理与成形过程如图1 1 所示 4 1 ： 分计算 解机中 过 信息 程处理 组成型 台 机中 过堆积 程成型 图卜1 快速成型基本原理 f i g 1 - 1t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f r a p i d p r o t o t y p i n g 传统的制造方法基于材料去除概念，先利用c a d 技术作出零件的三维图形，然后 对其进行数值分析( 有限元分析、模态分析、热分析等) ，再经动态仿真之后，通过c a m 的一个后处理模块仿真加工过程，所有的要求均满足之后，形成n c 文件在数控机床上 加工成形。快速原型制造技术r p m 突破了传统加工中的金属成型( 如锻、冲、拉伸、 铸、注塑加工) 和切削成形的工艺方法，是一种“使材料生长而不是去掉材料的制造过 程”，其制造过程的主要特点是： 董王堡婆堕型塑堡熏竖墨型垄垫查塑堑塞 f 1 1 新的加工概念。r p m 采用材料累加的概念，让材料生长而非去除，因此加工 过程无需刀具、模具和工装夹具，且材料利用率极高； ( 2 ) 突破了零件几何形状复杂程度的限制，成形迅速，制造出的零件或模型是具有一 定功能的三维实体； ( 3 ) 越过了c a p p ( c o m p m e r a i d e d p r o c e s s p l a n n i n g ) 过程，实现了c a d c a m 的无 缝连接： h 1 高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变c a d 模型，重新调整和设 置参数即可。 f 5 ) n 造费用低。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1 3 1 2 ，而成本仅为其 1 5 1 3 ，模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著。 1 2 2 一陕速成型技术的几种典型工艺 ( 1 ) 光固化立体造型技术s l ( s t e r e o l i t h g r a p h y ) 这种方法是最早出现、应用最为广泛的一种快速原型技术，它的工作过程为：工作 槽中盛满液态光敏树脂( 在一定波长的光的照射下发生固化) ，升降工作台上附带有导轨 和刮板。当成形开始时，先在工作台上铺一层设定层厚的液态树脂，光源在计算机的控 制下按本截面轮廓要求，作横向和纵向扫描，使轮廓内的树脂固化。工作台下降，在上 层的基础上再铺上另一层树脂，导轨带动刮板运动刮平树脂，然后光源再纵横向扫描 固化树脂，新固化的一层就牢固地粘接在先前固化的一层上，如此重复直到整个原型成 形完毕。为降低成本，美国和日本研制采用紫外光光源取代激光光源。如果将陶瓷粉或 金属粉加入到液态树脂中，固化出原型，高温烧掉树脂聚合物后，就可以得到陶瓷或金 属制件，这也是目前前沿研究的内容之一u i 。 ( 2 ) 熔融沉积造型技术f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 在计算机的控制下，加热喷头根据截面轮廓的信息，作平面运动和高度方向运动， 加热熔化的丝材( 如塑料丝、尼龙等) 就被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形 成截面轮廓，一层完成后进行下一层的涂覆，循环得到三维产品。f d m 已经成为最为 流行的快速成型工艺之一。在9 6 年，f d m 工艺的成型机销售量已超过了s l 工艺的成 型机。按照它的成形机理，理论上任何可熔化的材料都可用。目前使用的是蜡、尼龙、 塑料等材料，人们现在在研究将金属和陶瓷等材料应用到这种方法中，用陶瓷或金属粉 末( 不锈钢、黄铜、铝、铁等) 分别加上聚合物粘接剂，成型后高温烧掉聚合物，就可 以得到制件。为了提高速度和精度，在路径的生成方式、喷头在平面内的运动速度和材 料的进给速度等方面都有待于迸一步研究。 ( 3 ) 三维打印技术3 d - p ( t h e m e d i m e n s i o n a l p r i n t i n g ) 它相当于“打印”，电信号控制许多喷嘴头像打印头一样快速地前后移动，一层叠 层地喷出热敏聚合物，很快固化，从而形成了实际零件。这种方法首先是在美国麻理 工学院研制出来的。它用金属粉加粘接剂或陶瓷粉加粘接剂等材料来成形原型，成型以 后高温烧掉粘接剂，再渗入铜以加大密度睁】。美国z 公司采用了多达1 2 5 个喷头来加快 成形速度，是迄今为止速度最快的r p 系统。 基于快速原型的快速模具制造技术的研究 ( 4 ) 选择性激光烧结s l s ( s e l e c t e d l a s e rs i n t e r i n g ) 激光束在计算机控制下，按照截面轮廓的信息，对轮廓实心部分所在的粉末( 塑料 粉或陶瓷粉或金属粉与粘接剂的混合粉) 进行烧结，一层完成以后，再烧结另一层， 逐步得到各层轮廓，最后得到三维产品。s l s 法可以采用一般聚合物、非晶态聚合物、 金属、陶瓷等多种材料粉末。为了消除内应力，有些机器采用了双激光束。一束高能量 的用来烧结粉末材料，一束较发散的用来加热固化后的区域以减小热应力。 ( 5 ) 分层实体制造l o m ( l a m i n a t e do b j e c t e dm a n u f a c t u r i n g ) 这种工艺方法是根据产品三维模型各截面的轮廓，在计算机的控制下，激光逐层地 对涂胶的薄形材料进行扫描，将各层之间粘接起来，并对轮廓进行切割，最终得到产品。 这种方法使用的材料目前商用的主要只有纸，其它的材料如塑料、陶瓷、金属等目前正 处于研究阶段。 ( 6 ) 气相沉积成型技术l v d ( l a s e r v a p o rd e p o s i t i o n ) 它是用高能量激光的热能或光能分解一种活性气体。这种活性气体在激光的作用下 会发生分解，沉积出一种材料的薄层，从而进行逐层制造，通过改变活性气体的成分和 温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件，包括成型陶瓷和金属零件。前面 五种方法目前已经较为成熟，而这种方法正在实验之中。 1 2 3 快速成型技术的应用 r p 技术特别适合于形状复杂、精细的零件加工，成功地解决了c a d 三维造型中“看 得见，摸不着”的问题，生产柔性很高，技术集成，设计制造不需专门的工装夹具和模 具，大大缩短了新产品的试制时间，给制造业带来一场巨大的革命，目前它的主要应用 如下： ( 1 ) 加速新产品开发 采用r p m 技术可在不需要其他加工手段支撑的情况下，在几小时或几天内将设计 图纸或c a d 模型制成r p 三维实体原型。设计者可以根据此原型对外型、装配关系等 方面的设计方案进行评定、模拟试验分析、生产可行性评估，并能迅速得到用户对设计 方案的反馈信息，这样，可以把可能出现的问题解决在设计阶段，使新产品开发的费用 和时间显著减少。在新产品开发中，如遇多种方案，对各方案产品的性能和效果尚需经 过实物试验才能可靠地确定时，可用r p m 技术制成各种方案的原型制件，再进行模拟 试验分析和生产可行性评估，从而找出好的设计方案【6 】。如美国d e t r o i t 的一家制造商， 用r p 系统及相应的快速精铸技术，只用四天时间就造出福特公司的发动机缸盖精铸件 样品，在众多的竞争对手中抢先占领市场。获得了3 0 0 0 万美元的定单。 ( 2 ) 快速模具制造 目前，采用快速成形制造技术的快速模具制造( r a p i d t o o l i n r _ 汀) 主要用于制造铸 造模具和塑料模具。制模方法可分为间接制模和直接制模两种方式，这在下一节有详细 叙述。 ( 3 ) 快速靠4 造金属零件 r p m 技术与铸造技术相结合是由快速成形原型转化为金属零件的最佳途径。其方 4 基于快速原型的快速模具制造技术的研究 法有通过r p 原型翻制压型、直接复制铸模或烧失型铸造熔模，亦可由设计模型直接得 到型壳、型芯( 原型) 。采用r p 原型得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法。美国 3 d s y s t e m s 公司采用这种方法开发了q u i c k c a s t 快速精铸技术。它是在s l a 法制造的 原型表面上包覆耐火材料，直接焙烧使原型材料烧蚀气化后得到铸壳，用于金属零件的 浇注成型。该技术的关键是采用了发气量小，燃烧充分的光固化树脂材料1 6 j 。若要进一 步提高制作速度，则需要进一步探索适应各种快速成形方法的铸造工艺和材料，以加快 金属零件的制造速度。 ( 4 ) 在医学中用于器官模型制作 世界上许多国家都十分重视删技术在医学领域中的应用，并取得了好的效果。 该方法是将以数字成像技术为基础的c t ( 断层成像) 、m r i ( 核磁共振) 等诊断方法与l i p 系统相结合，即把所获得的人体扫描的分层截面图像，经计算机三维重建后将数据提供 给r p 系统，得到人体局部或内脏器官( 原型) 。这样就可以显示该部位病变情况和实体 结构，可用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定，或供教学使用。此外亦可利用r p 原型制作假肢。 ( 5 ) 快速制造技术与反求工程的集成 在反求工程中引入r p m 技术，能使反求检钡8 结果以最快的速度仿制出优化设计的 产品原型。r p m 技术与三坐标测量仪、三维激光扫描仪、工业c t 和核磁共振( m i u ) 仪、自动断层扫描仪等反求测量手段以及传统的数控加工相结合，形成了一个包括设计、 制造、检测的快速设计制造闭环反馈系统，这样就加快了反求工程的发展，扩大了快速 成形制造技术的应用范围。 此外，r p m 技术还可在微细加工、工艺品制作、文物复制及建筑模型制作等方面 得到应用。将r p m 技术应用于微型制造，需解决诸如微成型机理与方法、r p m 系统的 控制精度、激光光斑尺寸的控制及材料的成型等厨题，因此目前还处于探究开发阶段。 1 2 4 快速成型技术的研究概况及发展趋势 r p 技术经过十几年的发展，设备与材料两方面都有了长足的进步。目前由于该技 术的成本高，加以制件的精度、强度和耐久性能还不能满足用户的要求，暂时阻碍了r p 技术的推广普及。此外，近年来c n c 切削机床亦在大步向前发展：一方面，价格大幅 度下降；另一方面，高速、高精度的c n c 机床问世，制件时间缩短，精度及表面质量 提高。因此，不少企业使用c n c 切削机床快速制造金属或非金属模具及零件，向r p 技术提出了新的挑战。但是，在成形复杂、中空的零件方面，c n c 切削机床是不能取 代r p 技术的。这种直接从概念设计迅速转为产品的设计一生产模式，必然是2 i 世纪 制造技术的主流。随着技术的进步，r p 技术还会大踏步地向前发展，并将成为许多设 计公司、制造公司、研究机构和教育机构等的基本技术和装备。 从上述r p 技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下： ( 1 ) 提高r p 系统的速度、控制精度和可靠性，优化设备结构； ( 2 ) 提高数据处理速度和精度： ( 3 ) 研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料； ( 4 ) 开发新的成形能源： 基于快速原型的快速模具制造技术的研究 ( 5 ) 研究开发新的成形方法： ( 6 ) 继续研究快速制模和快速制造技术： ( 7 ) 扩大应用范围。通过对现有r p 系统的改进和新材料的开发，使之能够经济地 生产出直接可用的模具、工业产品和民用消费品：制造出人工器官，用于治疗疾病。 1 3 快速制模技术及其发展现状 r p m 技术制作的原型在许多情况下由于其使用材料的限制，还不能替代最终的真 实产品。为获得真实材料制作的产品，形成一定批量的生产能力，产生了基于r p m 的 快速模具( r t ) 制造技术。目前，基于r p m 快速制造模具的方法分为直接制模法和间 接制模法。如图卜2 所示。 图卜2 基于快速原型的快速模具制造 f i g 1 2 r a p i d t o o l i n gb a s e do n r a p i d p r o t o t y p i n g 1 3 1 直接制模法 该类快速模具由于直接采用快速原型件作为模具，其优点是制模工艺简化、精度较 高、工期短，缺点是单件模具成本较高，适用于样机、样件试制。 ( 1 ) l o m 模具 以表面涂敷热熔胶的纸为成形材料的分层实体制造( l o m ) 快速成形制件，质似硬 木，可在2 0 0 ( 2 以下工作。这种l o m 制件可作为砂型铸造本模、注塑件试成形模、低 熔点合金铸模、熔模铸造的熔失模以及压制成形熔模铸造蜡型的模具。 ( 2 ) s l a 模具 光固化立体成形( s l a ) 制件可作为砂型铸造木模、压制成形熔模铸造蜡型的模具、 3 d s y s t e m 开发的q u i c k c a s t i n g 消失模。 ( 3 ) s l s 模具 粉末选区激光烧结( s l s ) 可成形蜡粉、a b s 粉、金属粉或陶瓷粉，补加浇口后的 蜡件可直接用作熔模铸造的熔模：用a b s 粉可直接成形蜡型的成形模；成形的金属件 和陶瓷件经后处理后可作为成形模具，但目前尚不成熟。 6 萎王堡望堕型塑堡垄蔓墨i ! 堕茎查塑竺壅 ( 4 ) f d m 模具 熔融沉积制造( f d m ) 可以以蜡为原料，直接成形用于熔模铸造的蜡型。 ( 5 ) 其它快速原型模具 随着快速原型制造技术的发展，新的快速成形技术不断出现，如喷射堆积成形r 可 直接成形熔模铸造的蜡型；三维印刷( 3 d p r i n t i n g ) 以耐火陶瓷粉末为原料，可直接成形 陶瓷型精密铸造的陶瓷型；清华大学激光快速成形中心开发的直接型壳快速成形技术可 直接成型铸造砂型。 1 ，3 2 间接制模法 依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和硬质模具两大类。 ( 1 ) 软质模具 软质模具因其所使用的软质材料( 如硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金、锌合金、铝 等) 有别于传统的钢质材料而得名，由于其制造成本低和制作周期短，因而在新产品开 发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行以及国防、航空等领域单件、小批量产品 的生产方面受到高度重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。目前 提出的软质模具制造方法主要有树脂浇注法、金属喷涂法、电铸法、硅橡胶浇注法等。 硅橡胶浇注法：硅橡胶浇注法制作的模具由于具有良好的柔性和弹性，能够制作 出结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件，因而倍受关 注。其制作过程为：r p m 原型表面处理并涂洒脱模剂一原型固定并放置型框一硅橡胶 计量、真空脱泡并混合一浇注硅橡胶模具一固化一分模并取出原型。硅橡胶软质模具的 寿命一般为2 0 5 0 件，适用于批量不大的注塑件的生产。 树脂浇注法。硅橡胶模具仅仅适用于较少数量制品的生产，如果制品数量增大时， 则可用快速原型翻制环氧树脂模具。它是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合为基 体材料，以原型为母模浇注模具的一种制模方法。其工艺过程为：原型表面处理并涂洒 脱模剂一设计制作模框一选择和设计分型面一树脂浇注一开模并取出原型。树脂浇注法 快速制作模具工艺简单、成本低廉，树脂型模具传热性能好、强度高且型面不需加工， 适用于注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚氨酯发泡成形模等。 金属喷涂法。金属喷涂法是以r p m 原型作基体样模，将低熔点金属或合金喷涂 到样模表面上形成金属薄壳，然后背村充填复合材料而快速制作模具的方法。金属喷涂 法工艺简单、周期短，型腔及其表面精细花纹可一次同时成型，耐磨性能好，尺寸精度 高。在制作过程中要注意解决好涂层与原型表面的贴合和脱离问题。 电铸制模法。电铸制模法的原理和过程与金属喷涂法比较类似。它是采用电化学 原理，通过电解液使金属沉积在原型表面，背衬其他充填材料来制作模具的方法。电铸 法制作的模具复制性好且尺寸精度商，适合于精度要求较高、形态均匀一致和形状花纹 不规则的型腔模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。 ( 2 ) 硬质模具 软质模具生产制品的数量一般为5 0 5 0 0 0 件，对于上万件乃至几十万件的产品， 仍然需要传统的钢质模具，硬质模具指的就是钢质模具，利用r p m 原型制作钢质模具 基于快速原型的快速模具制造技术的研究 的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。 电火花加工法。电火花加工法是利用r p m 原型制作e d m 电极，然后利用电火 花加工制作钢模，其制作过程一般为：r p m 原型一三维砂轮一石墨电极一钢模。 熔模精密铸造法。在批量生产钢质模具时可采用熔模精密铸造。该方法是利用 r p m 原型或根据原型翻制的软质模具生产蜡模，然后利用熔模糖铸工艺制作钢质模具。 几乎所有的r p m 原型都可以作为熔模精密铸造的母模。 陶瓷型精密铸造法。对于单件或小批量钢质模具的生产可采用陶瓷型精密铸造 法。其工艺过程为：r p m 原型作母模一浸挂陶瓷砂浆一在焙烧炉中固化模壳烧去母 模一预热模壳一浇注钢模型腔一型腔表面抛光。 1 3 3 快速制模技术的发展现状及其展望 在全球化市场经济和各种高新技术的迅猛发展形势下，快速经济模具赋予了新的使 命和全新的内涵，向着多品种系列化迈进，工艺不断有新的创新和突破，与之配套设备 相继问世，服务领域在不断地拓宽，创造的经济效益越来越显著。 在国外，许多公司和高校都已推出商品化的快速制模技术：日本三菱商社推出了 m r m ( m i t i s u b i s h i r a p i dm o u l d i n g ) 快速制模系统。它能将原型直接转换成模具，尺寸 精度高、制模成本低，制模时间短，所制造的模具主要用于塑料件加工：美国、加拿 大的许多大公司与铸造公司联合，研究将l u ，m 技术应用到快速模具制造中的工艺路线， 已成功地生产出锻模、注塑模、钣金冲压模以及精密铸件的铸模：美国依阿华州立大 学提出了一种利用r p 技术快速制造模具的新工艺，利用r p 技术快速制造出一种薄壁 壳型，然后浇入熔融的蜡制成实心模用来进行砂型铸造生产出异型铜电极，最后用该电 极对金属坯料( 通过仿形铣加工已初具形状的模具) 进行e d m 加工，从而生产出难以 用一般方法生产的高强度钢模；美国a c c e l e r a t e dt e c h n o l o g i e s 公司开发出e p o x v t o o l i n g 、s p r a y m e t a l t o o l i n g 、c a s tk i r k s i t et o o l i n g 、3 dk e l t o o l r m 、l a s e r f o r ms t - 1 0 0 、d i r e c t a i m 、o p t o m e c 和p r o m e t a l 等快速制模方法，另外，a l b r i # a tt e c h n o l o g i e si n c 、 h a r r i n g t o n p r o d u c t d c v e l o p m e n t c e n t e r 等许多公司能提供不同的快速制模服务。 在国内，近年来一些高校和企业也纷纷展开了对快速制模技术的研究：西安交通 大学研究了从原型到石墨电极的制备方法，并开发了石墨电极研磨机( g e t - 5 0 0 a ) ，还 开展了陶瓷型精铸，硅橡胶复型、简易树脂型腔及利用电铸法直接制作金属模具的研究： 上海交通大学开发了基于r p 原型的涂层转移精密铸造技术，并为汽车行业制造了多 类模具；华中理工大学研究出一种原型复膜技术，快速制造铸模，翻制出了铝合金模 具和铸铁模具；清华大学正在开展大型陶瓷型技术、尺寸凝固模拟技术等研究：深 圳殷华激光快速成形及模具技术有限公司引进了金属冷喷涂制模机和快速石墨电极研 磨机，开展了以原型为母模采用上述设备制作金属模具的研究；北京隆源公司开展了 快速铸造技术的应用研究，其r p 服务中心已用几种方法为企业制作了精密铸模。 随着市场产品更新换代的加速，对快速经济制模技术在缩短周期、降低成本、提高 精度和延长寿命方面的要求势必会越来越高。各种快速经济制模技术在推广应用过程中 会不断完善成熟和发展。由于高新技术的发展，各种技术的复合与渗透，为适应生产中 的不同需求，今后必定会形成一些新型、节约能源、节约材料的快速制模技术。 基于快速原型的快速模具制造技术的研究 1 4 课题研究内容 将材料增长和去除这两种加工原理结合起来，探索快速成型技术与电铸、电弧喷涂、 等离子喷涂、精密铸造、电火花加工等特种加工方法的组合工艺技术【7 1 2 ，充分利用快 速成型技术与特种加工技术各自的优势，在精度和效率方面取长补短，必将为金属模具 的快速制造提供崭新的技术手段i l “。 本课题结合在我国普遍使用的f d m 和l o m 两种快速成型工艺，探索将这两种快 速成型技术和电铸、化学镀、电弧喷涂等特种加工技术进行有效工艺组合，开发出有效 的快速经济制模技术。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 首先对电铸、化学镀、电弧喷涂等特种加工技术进行研究，寻求工艺参数的优化： ( 2 ) 然后针对分层实体制造( l o m ) 技术的特点，结合电铸、化学镀、电弧喷涂等 特种加工工艺，开展基于l o m 原型的电加工电极快速制造的研究： ( 3 ) 最后针对熔融沉积制造( f d m ) 技术的特点，结合电铸、化学镀以及电弧喷涂 等工艺，进行复杂模具型面快速制造的研究。 9 基于快速原型的快速模具制造技术的研究 2 脉冲电铸加工及其工艺参数优化 2 1 脉冲电铸加工基本原理 2 1 1 电铸成形概述 ( 1 ) 电铸的电化学过程及其特点 电铸成形是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成形加工的。即以可导电的芯 模作阴极，以用于电铸的金属作阳极，并以其金属盐溶液作为电解液，在电场力的的作 用下，金属盐溶液中的金属阳离子在阴极获得电子沉积在阴极表面上，阳极的金属原子 失去电子而成为正的金属离子源源不断地补充到电解液中，使电解液的浓度保持基本不 变。当阴极上的电铸层达到所需要的厚度时，将其取出并将电铸层与芯模分离，获得与 芯模表面形状相反的电铸件【l ，其基本原理如图2 一l 所示。 电解波 m “+ + n f m ( 其中m 叶为金属离子) 图2 - i 电铸原理图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o f o r m i n g 和其他加工方法相比，电铸成形具有独特的优点。它具有极高的复制精度( i t 1 0 ， r a0 1 p m ) 和重复精度( 可达0 0 1 肚m ) ，芯模可以反复使用；所需设备投资比较小；需 要的加工步骤和精加工量少。电铸加工的主要缺点是加工时间长，铸层有缺陷，脱模有 一定难度。 ( 2 ) 电铸技术存在的问题及其解决措施 电铸是一种利用金属离子阴极电沉积原理制取产品的工艺技术，存在加工时间长、 铸层均匀性差、铸层易出现缺陷等缺点。只有通过深入研究找出并解决其存在的问题， 才能提高电铸工艺水平，进一步促进它的应用与发展。 提高电铸电沉积速度 为了提高电铸沉积的速度，必须找到提高金属层增厚速率的有效途径。电铸金属 层的增厚速率，一般以下式【l7 】表示： o 几u 犍绝模 国 ；导 团懒 董主堡壅堕型箜堡垄堡墨! ! 垄苎查塑里塞 d 8 ：生( 2 1 ) 一 ， d t n f y 式中：d 一电沉积层厚度( 厘米) ； 卜一电沉积时间( 秒) ； 4 一电铸金属的摩尔质量( 克摩尔) ； 玎一阴极电流效率( ) ； f 一阴极电流密度( 安厘米2 ) ； y 一金属的密度( 克厘米3 ) ： n 金属离子的电荷数： f 一法拉第常数。 通过( 2 - 1 ) 式求得的是理论上的平均增厚速率。根据消耗的电量，由( 2 一1 ) 式可 以计算出电沉积金属层的理论重量阢我们把实测重量w o 与形的比值定义为电能利用 系数，并以s 代表，则 占：n f w o( 2 2 ) 4 r i t 式中：卜电流强度。 如以阴极上实际形成的金属层厚度表示，则 n f y 8 爿痢r 由( 2 - 2 1 ) 式可得 淞a d tr l f y ( 2 - 27 ) ( 2 - 3 ) 由( 2 - 3 ) 式得出的结果为阴极上的实际增厚速率，它与电沉积金属层实际所消耗 的电量成正比。( 2 3 ) 式中的万为平均厚度，实际上零件各部分的实际电沉积层厚度是 不一样的。在低于平均厚度处，势必要延长电沉积时间，因而也将使实际增厚速率下降。 ( 2 - 3 ) 式中的阴极电流效率_ 7 ，主要与电解液的本性有关。 由( 2 - 3 ) 式可见，欲提高金属层实际增厚率，必须同时满足三个条件： 采用大的阴极电流密度： 提高电能利用率，即尽量使s 趋近1 ： 阴极上的电流分布均匀。 ( 2 - 3 ) 式中电流密度蹭g 最大值，叫做极限电流密度，由下式【i ”决定： f ，：n f d c o ( 2 - 4 ) 靠 基于快速原型的快速模具制造技术的研究 式中：i ，一极限电流密度( 安厘米2 ) d 一扩散系数( 厘米2 ，秒) c 一溶液浓度( 摩尔厘米“ 氏一近阴极的溶液扩散层厚度( 厘米) 。 ( 2 - 4 ) 式中的d 靠可视作金属离子移向阴极的速率m 。，则 i l = n f m 。e ( 2 - 5 ) 由( 2 5 ) 式可见，极限电流密度l 是 厶和c 。的正比函数，因此，可以通过提高 溶液浓度和离子移向阴极的速率来提高阴极电流密度。 提高电解液的温度，可有助于提高离子的运动速度。但由于电解液温度越高，电沉 积越不稳定【1 趴，所以它也只能有限地提高。搅拌是降低浓差极化、提高电流密度的有效 手段。金属电沉积溶液的常用搅拌方法有压缩空气搅拌、机械搅拌、溶液循环等等。在 实践中，常把两种或以上的搅拌方法组合使用，得到更有效的搅拌效果，因而能大幅提 高阴极电流密度【】6 】。 改善镀层的均匀性 按照法拉第电解定理，在电铸过程中金属沉积速度正比于阴极电流密度。因此，电 流密度的分布决定了金属沉积层的厚度分布。在电铸具有复杂表面尤其带有较大深宽比 的沟槽的芯模时，电流密度分布极不均匀，槽底处电流密度远小于槽顶处，因而金属沉 积层的分布也极不均匀【1 9 1 。 在常规直流电铸时，两电极之闯是一个稳恒电流场，其电流分布可由拉普拉斯方程 和相应的边界条件描述。图2 - 2 是深槽电铸时电场分布以及金属沉积层分布示意图。 阳极 电黼盖 赢飞磊 等位境 图2 2 深槽电铸时的电流场及金属分布 f i g 2 - 2c u r r e n t f i e l da n dm e t a ld i s t r i b u t i o n sd i l r m ge l e c l r o f o r m i n gi nd e e pb a t h 从图中可以看出；槽顶尖角边缘处由于处于电场的尖端效应，电力线非常集中，因 此金属沉积层很厚；而槽侧壁对槽底起到了屏蔽作用，导致槽底电力线异常稀疏，金属 沉积