（机械设计及理论专业论文）基于re和rp的快速模具技术研究.pdf

摘要 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。近年来，反求工程( r e ) 、快速 原型技术( r p ) 等蓬勃兴起，使得快速响应市场需求的产品开发成为可能。快速成形技术作 为近年来的先进制造技术，已成功地实现了快速原型制造，目前正向快速模具制造方向 迅速发展。基于r e 和l i p 技术的快速模具制造己成为当前模具制造业的热点，并被广泛 地研究和应用。 本文针对基于快速原型的硅胶模具制造技术进行了深入研究。在整套工艺的完善上 进行了大量工作，完成了基于快速原型的硅胶模具制造。同时指出，基于快速原型的硅 胶模具制造技术是以快速原型为母模，进行硅胶模具的制作。对于小批量的塑料制品生 产，可采用真空浇注的方法。为了深入了解硅橡胶模具制品浇注的影响因素，本文采用 正交试验方法进行大量的工艺试验，完成了对真空浇注工艺参数的优化。同时，本文还 完成了以石膏为背衬的硅胶模具，并对其工艺进行了研究，验证了产品生产的可行性。 本文的研究对硅胶模工艺的实际应用具有一定的指导意义，并为硅胶模技术的研究 发展提供了实验依据。同时，本文以单因素实验的方法，系统地研究了r t 工艺成型过 程中几个主要因素单独作用时，对成型制品尺寸精度的影响；最后，以快速硅胶模成型 制品尺寸精度的整体研究为目标，从最终树脂制品尺寸精度出发，在优化各工艺环节、 提高制作精度的基础上，研究了整个r t 工艺过程中尺寸误差的累积效应。根据快速模 具制造系统的精度闭环控制原理，提出了相应的尺寸补偿方法，为今后快速模具的精度 研究提供理论依据。 关键词：快速原型，快速模具，硅胶模具，真空浇注 a b s t r a c t a b s 仃a c t a sm a r k e tc o m p e t i t i o ni n c r e a s i n g ，e n t e r p r i s e sm u s tp r o m p tt om a r k e t sa n dc u s t o m e r r e q u i r e m e n t sa n dd e v e l o pf o rm u l t i s p e c i f i c a t i o na n ds m a l l b a t c hp r o d u c t i o n ，h i g h - q u a l i t y , a n d l o w - c o s tp r o d u c t i o n f o rt h el a s tf e wy e a r s ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e ) a n dr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) f l o u r i s h e d ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l et oe x p l o i tp r o d u c t i o nt ot h em a r k e rd e m a n dr a p i d l y a sa na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi nt h el a s tf e wy e a r s ，r ph a ss u c c e s s f u l l y r e a l i z e dr p m a n u f a c t u r i n g ，a n dn o w , i ti s d e v e l o p i n g t ot h ed i r e c t i o no f r a p i d t o o l i n g ( r t ) b a s e do nr ea n dr p , r th a sb e c o m et h eh o t s p o to fm o u l dm a n u f a c t u r i n g ，a n d h a sb e e nw i d e l yr e s e a r c h e da n d a p p l i e d t h i sp a p e rh a sa ni n t e n s i v es t u d yo ns i l i c o n em o l db a s e do nr p w eh a v ed o n em u c h w o r ki nt h ew h o l et e c h n i c a lp r o c e s so fr ta n dw o r k e do u tt h es i l i c o n em o l db a s e do i lt h er p p r o d u c t t h em e t h o do fv a g u u n lc a s t i n gc a nb eu s e df o rs m a l la m o u n tp r o d u c t s t h ek e y e f f e c tf a c t o r so ft h es i l i c o n em o l dt e c h n i c a lp r o c e s si sf o u n do u t p r o c e s sp a r a m e t e r so f v a c u u mc a s t i n gi so p t i m i z e dw i t l lt h em e t h o do fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t an o wk i n do f e c o n o m i c a lm o l di sp r o v i d e d ，w h i c hi sm a d eu po fp l a s t e ra n ds i l i c o n e t h ef e s s i b i l i t yo fi t s m a n u f a c t u r i n gi sv e r i f i e d t h er e s e a r c ho ns i l i c o n em o l dh a ss o m es i g n i f i c a n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i m u l t a n c o u s l y , t h r o u g ht h em e t h o do fs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t , t h i sp a p e rs t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h e e f f e c t i o no fp r i m a r yf a c t o r so fp r o c e s so ns i z ep r e c i s i o n t h i sp a p e rr e g a r d st h ei n t e g r a l r e s e a r c ho ft h ed i m e n s i o n a la c c u r a c yo fs i l i c o n em o l d i n gp r o d u c t sa s t h eg o a l ，a n dt h e a c c u m u l a t i o no ft h ed i m e n s i o n a le r r o r so ft h ei n t e g r a lp r o c e s si si n v e s t i g a t e do nt h eb a s i so f o p t i m i z i n gv a r i o u sp r o c e s s i n gl i n k sa n di m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fm a k i n g i no r d e rt o i m p r o v et h ed i m e n s i o n a la c c u r a c yo fp r o d u c t s ，t h ec o r r e s p o n d i n gd i m e n s i o nc o m p e n s a t i o ni s g i v e no nt h eb a s i so fa c c u r a c yc l o s e d l o o pc o n t r o lt h e o r ya n dt h et h e o r yf o u n d a t i o ni s p r o p o s e d f o r f u r 廿l g rr e s e a r c ho nr t k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p e ，r a p i dt o o l i n g ，s i l i c o n em o l d , v a c u u mc a s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 鎏逞辟 日期： d 7 r 年i 月j 2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 虢掣鬻孝 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在逐渐进入知识经济时代的今天，市场竞争愈来愈要求在不断改善产品性能与品质 的前提下，最大限度地缩短产品周期，以便快速响应客户的需求。这种趋势在汽车、电 子产品、家电产品和玩具等制造业显得尤其突出。1 0 年前，开发一辆汽车的时间大约为 6 0 个月，而现在仅需不到1 8 个月，电子产品的开发周期在玩具等制造业已降至不到一 年时间，常常是第一季度开发，第三季度大批量生产，第四季度销售。著名的( 惠普) 公 司8 0 以上的利润来源于年龄不满2 年的产品。所以，快速、高效地开发新产品是企业 在竞争中取胜的一个关键因烈”。 实现新产品的快速、高效开发涉及多领域的先进技术。例如，逆向工程( r e ) 、计算 机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、新材料开发，以 及产品与相应工艺装备的快速成形、制造等，其中最关键的是快速模具的设计与制造技 术。 众所周知，制造业的发展离不开模具，尤其是铸造、锻压、注塑等工艺所需的模具。 试制零件常常需要模具，产品的生产更需要模具。然而，模具的开发、制作又往往是整 个产品开发时间与成本的主要部分，既花时间又花钱。例如，一副大型，复杂模具的开 发一般需要6 个月以上的时间，费用也由几十万至几百万以上，一副小型、中等复杂的 模具的开发一般也需要3 个月以上的时间和几万至几十万元以上的费用。根据美国汽车 制造业统计，其平均6 7 以上的投资与模具有关。因此，模具的开发、制作是制约新产 品开发的瓶颈。要缩短新产品的开发周期、降低成本，必须首先缩短模具的开发周期， 使模具更结实、耐用。 通常，生产用模具由锻造钢坯或铝坯经传统机械加工而成。由于模具上常常有一些 复杂的特征与自由表面，精度与光洁度要求比较高，所以加工周期长，成本高。应该指 出的是，随着计算机数控( c n c ) 机床、加工中心、柔性制造系统，以及高速切削等先进 技术的发展，模具的加工周期不断缩短，但是至今为止，每道工序的工艺并无重大改变， 仍然存在调整时间长、复杂刀具轨迹的自动生成困难、成本高等问题。当产品的生产批 量较小时，模具的制作工时与成本分摊在每件产品上的数额更大。传统机加工模具的另 一个问题是，这种模具的柔性比较差，一旦设计有些改变，原有模具难于修改，几乎不 得不重新制作。所以，必须寻求快速制造模具的新方法。 基于逆向工程和快速原型技术的快速模具制造技术就是在这一要求下发展起来的 一种极具生命力的先进制造技术。其工艺流程如下图1 1 ，对零件( 实物) 测量获得坐标数 据，并造型得到c a d 模型；对模型离散化后输入快速原型机进行快速原型加工；以r p 件作母模来制作快速模具。 江南大学硕士学位论文 1 2 逆向工程技术 图1 1 基于r e 和r p 的快速模具工艺流程 “逆向工程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称反求工程、反向工程等。它起源于精密 测量和质量检验是设计下游向设计上游反馈信息的回路。在某种意义上讲，逆向工型2 。l 就是以特定的方式完成一个实物模型的仿制工作。往往件拟制作的产品没有原始设计 图纸，而仅仅是一个产品样件或实物模型。目前所称的逆向工程是针对现有工件( 样品 或实物模型) ，利用数字化测量仪准确、快速地将物体的三维坐标数据以数据点集的形式 获取得到；再经数据处理、曲面构建、编辑、修改后：传送至通常的c a d c a m 系统作 进一步的设计：再由c a d c a m 系统生成刀具的n c 加工轨迹传送至c n c 机床制作所需模 具，或者生成s t l 文件传送到快速成型机将样品模型制作出来，也可由c a d 生成机械加工 用的图纸，再由传统机床加工出产品零件。 逆向工程主要包括以下几个具体的应用： 1 基于实物模型的产品外形设计； 2 对现有产品的局部修改； 3 对无法得到图纸的已有产品数字化； 4 磨损或损坏物体的还原： 5 医学模型制作等。 传统设计过程是在市场调研的基础上，根据功能和用途来设计产品，得到图纸或 c a d 模型，经检查满意后制造出产品。显然，这种传统的设计制造模式，由于产品开 发周期长，模型修改和再设计困难，很难适应市场竞争的需求。而逆向工程是从一个己 存在的零件或原型入手，首先对其进行数字化处理，经过改进或创新后，构造出工件的 c a d 模型。c a d 模型经检查满意后，根据需要输出图纸，最后制造产品。它为快速响 应市场需求，实现低成本和看样订货的生产方式提供了可能。 在逆向工程和快速原型技术制得的原型件的基础上，我们可以采用直接( 不经过工 艺转换，在快速原型机上直接制成满足工艺要求的模具) 或间接( 把快速原型机上制得的 工件用作原型件，结合各种先进模具制造技术快速精确地制造各种模具) 的方法快速制 造我们所需要的模具。据不完全统计，在国外，商品化并相当广泛应用的快速模具制造 方法己有2 0 多种，应用领域不仅遍及汽车、家电和玩具等制造行业，而且还深入到医 2 第一章绪论 疗领域等。各种快速模具技术的出现和应用，不仅很好的满足了对产品开发的速度和制 造技术的柔性要求，适应了产品的生产模式由传统的大批量生产向能灵活适应市场的 中、小批量生产转变，而且缩短了制模时间，减少成本及产品开发的固定费用( 包括人 员、设备等) ，促进了企业产品的快速开发、生产能力的形成，增强了企业的市场适应 能力【6 l 【7 1 。而硅胶模具是作为中间模具的典型，同样也适合在真空注塑下，完成产品的 小批量生产。 1 3 快速成型技术 快速成型i s 。 4 1 ( r a p i dp r o t o t y p i n 曲，简称r p ，是一种基于离散堆积成形思想的新 型成型技术，它是将计算机辅助设计、辅助制造、数字控制精密伺服驱动和新材料等先进 技术集于一体。依据产品的三维设计模型，分层切片得到各层轮廓，并通过激光粘结或热熔 得到各截面的轮廓并逐步形成三维产品。i 冲技术彻底摆脱了传统的“去除”加工方法， 将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，从而降低了传统制造方法需要几周或 几个月设计制造的时间和昂贵的费用。根据国外统计，r p 技术只需要传统加工方法3 0 5 0 的工时和2 0 3 5 的成本就能直接制造产品样品或模具。r p 原型目前已广 泛应用于机械、电子、汽车、航空领域，随着该项技术的日臻完善，将给制造业带来一 场革命。 r p 技术是由c a d 模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体技术的总称。 t e r r yw o h l e r s ”】对r p 技术作了如下描述：i 冲指通过特殊加工工艺实现的一种设计的物 理模型。r p 系统依据三维c a d 模型资料、c t 和m r i 扫描资料和由三维实体数字化系统 创建的资料，通过各种加工方法，把液体、粉末或者薄片形态的材料堆积起来制造物理 实物。r p 技术是基于离散、堆积成型原理的新型数字化成型技术。它是在计算机管理下， 根据零件的c a d 模型，通过材料的精确堆积，制造原型或零件的。其成型过程：首先用 c a d 软件设计出零件的c a d 模型，然后根据具体工艺要求，将其按一定厚度分层，即将 其离散为一系列二维层面，再将这些离散信息同加工参数相结合，生成n c 代码输入成 型机。成型机则依照n c 代码，顺序加工各单元层面并彼此结合，从而得到与电子模型 对应的三维实体，亦即物理模型或原型。利用分层制造的方法，可以快速地从c a d 数据 完成原型制造。 目前，i 冲技术在“分层制造”思想上，已出现了几十种工艺，并且新的工艺还在不 断涌现。现今比较成熟并且已经投入商品化生产的工艺主要有s l a 、s l s 、l o m 等几种。 s l a ( s t e r e o l i t h o g r a pa p p a r a t u s ) - f 艺也称光造型或立体光刻。s l a 技术是基于液态 光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光( 如 = 3 2 5 n m ) 的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。图1 - 2 为s l a 工作原理图，液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态 表面上扫描，扫描的轨迹及光线由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。当一层 江南大学硕士学位论文 扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后 再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造 完毕，得到一个三维实体模型。 l o m ( l a m i n a t e d0 b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) t 艺也称叠层实体制造或分层实体制造 ( 如图1 3 ) 。其材料采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。 加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接：用c 0 2 激光器在刚粘接的新层 上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下 对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材( 料带) 分离； 供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域：工作台上升到加 工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面 轮廓，如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。 s l s ( s l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) t 艺也称粉末材料选择性烧结。s l s 技术最早由美国 德克萨司大学开发，并由d t m 公司将其推向市场。它采用c 0 2 激光器和粉末状材料( 如 塑料粉，陶瓷和粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉) 。其工作原理如图1 4 所示， 成型时，先在工作台上铺一层粉末材料，激光发射装置受控运动，在粉末箱中施行逐层 扫描。激光聚焦光斑扫描所到之处，粉末烧结形成物理模型的组成部分，直至形成完整 的物理模型。将其从粉末箱中取出并清除多余粉末即得原型。实际生产中用得比较多的 是逐层铺撤粉、逐层烧结的方法。s l s 的原理与s l a 十分相像，主要区别在于所使用 的材料及其性状。s l a 所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而s l s 则使用粉状 的材料。s l s 工艺材料的利用率高，材料的适应面广，不仪能制造塑料件，还能制造陶 瓷、石蜡等材料的零件。同时还可以直接制造金属零件，使该工艺具有广阔的发展空间。 缺点是在s l s 的烧结过程中，粉末材料( 或其中的粘接剂) 的温度刚达到熔化点，不能很 好的流动并填充粉末颗粒之间的空隙，因此，成型件的表面比较疏松、粗糙。本文所使 用的r p 件均由s l s 选区烧结得到。 图i - 2s l a 工艺原理图图i - 3 l o m 工艺原理图 图l - 4s l s 工艺原理图 4 第一章绪论 与传统的切削加上方法相比，快速原型加上具有以下优点： ( 1 ) 可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部 分等，大大降低了新产品的开发成本和周期； ( 2 ) 属非接触加上，不需要机床切削所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响； ( 3 ) 无振动、噪声和切削废料； ( 4 ) 可实现夜间完全自动化生产； ( 5 ) 加上效率高，能快速制作出产品实体模型及模具； ( 6 ) 快速原型的材料可供选择的种类较多。 1 4 快速模具技术 快速原型制造技术的出现给快速模具制造( r t ) 开辟了新路。近几年，基于快速成形 制造技术的快速模具制造( r p m r t ) 己成为模具制造业的热点，并被广泛地研究和应用， 显示出极强的生命力。它是一项制造周期短、成本低的制模技术。随着市场经济的发展， 多品种小批量产品不断增多，各种产品更新换代的周期缩短。诸多高新技术的发展及其 相互的结合，使快速制模技术的应用范围不断扩大，类型不断增多。己经被采用的r t 技术有硅胶制模、树脂制模、低熔点合金制模等，在工业生产中创造了显著的经济效益。 采用r p 技术制造用于新产品开发与试制的快速模具制造技术( r a p i dt o o l i n g ，简称 r t ) e 1 睨”，近年来的发展极为迅速。传统模具制造的方法有很多，如：数控铣削加工、 成形磨削、电火花加工、线切割加工等。由于这些工艺复杂、时间长、费用高而影响了 新产品对于市场的响应速度。而传统的快速模具( 例如中低熔点合金模具、电铸模、喷 涂模具等1 又由于工艺粗糙、精度低、寿命短，很难完全满足用户的要求。此外，传统 的快速模具常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正，而不能做到真正的“快 速”。因此，应用r p 技术制造快速模具，在最终生产模具、开模之前进行产品的试制与 小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，有效地节约开发时间和费用。 随着r p 技术成形精度提高和材料发展，更多的r p 工艺应用于快速模具制造。这 些新的模具制造工艺的特点是i 冲技术与传统的技术相结合，两者互相补充，进一步提 高设计质量、缩短设计制造周期、降低生产成本。快速模具与传统制模的相比较，具有 如表1 1 所示的优点。 江南大学硕士学位论文 表1 1 快速模具与传统制模的比较 项目 快速模具传统模具 制造时间和成本 不受零件复杂度的影响受零件复杂度的影响 尺寸精度和表面粗糙度较好的尺寸精度和粗糙度更好的尺寸精度和粗糙度 驱动方式 直接c a d 模型驱动制造间接c a d 模型驱动制造 模具尺寸 中小尺寸模具大中小尺寸模具 模具类型软模具、过渡模具和硬模具硬模具 快速模具的目标是以较低的成本，快速地生产出具有较好尺寸精度、表面粗糙度和 一定复杂度的模具。根据模具的使用寿命，快速模具的种类可以分为软模具、中间模具 和硬模具。模具相对寿命在2 0 0 次以下定义为软模具( s o i tt o o l i n g ) ，寿命在2 0 0 5 0 0 0 次定义为中间模具或过渡模具( f i r m t o o l i n g o r b r i d g e t o o l i n g ) ，寿命在5 0 0 0 次以上为硬 模具( h a r d t o o l i n g ) 。软模具适合中小批量零件生产，是一种周期短、成本低的模具制造 工艺。 基于r p 原型的软模具制造技术如图1 5 所示。 l 软模具( s o f tt o o l i n g ) l 图1 - 5 基于r p 原型的软模具技术 以r p 原型作母模，浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，可构成软模具。 这些软模具可用作试制、小批量生产用注塑模，或制造硬模具的中间过渡模、低熔点合 金铸造模。这些软模具具有良好的弹性、复印性和一定的强度，在浇注成形复杂工件时， 可以大大简化模具的结构设计，并便于脱模。中间模具的提出是针对中批量零件的生产 或过度模具而提出的，并不是代替软模具技术，如图1 6 所示。 6 第一章绪论 圜 图1 - 6 中间模j ；( f i r mt o o l i n g ) i 艺 硬模具可以生产几千到上百万件零件，其材料主要有金属或最终模具材料制 成。硬模具可以分为间接模具和直接模具，具体分类如图1 - 7 所示。 匝画亟固 臣困臣圃 匝困巨亟习 回臣困 圈臣圃 图1 - 7 快速金属模具制造工艺 硅胶模具技术【洲1 是一种常见的快速软模具制造技术。其定义为：以硅胶为基料灌 入已固定原型的型框中，待硅胶硬化后沿分型面用刀具切开，取出原型，即得到模具。 硅橡胶模具制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。硅橡胶模具具有良好的柔性 和弹性，能制造结构复杂、花纹精细、无拔模斜度，甚至倒拔模斜度以及具有深凹槽类 的零件，制造周期短，制件质量高。硅胶模具与传统模具制造技术相比，具有以下优势： 硅胶作为弹性体，可供制作形状复杂样件的模具；易于操作；延展性、韧性好； 离型性好；耐高温，可以直接浇注低温合金或金属；生产周期短，一般仅为十几 个小时，甚至几个小时；制成的样件产品性能，根据聚氨酯配比可直接与a b s 、p e 、 p p 等类比。 r p 技术与硅胶模具技术相结合主要有两种前途：一种是采用l o m 、f d m 、s l s 或s l a 工艺制造的原型作为母模，制作硅胶模具，然后进行产品的真空注塑成型；另一种是以 上述原型作为母模，以硅胶模具作为中间过度模具，翻制石膏精密铸造模具或熔模铸造 7 江南大学硕士学位论文 模具、蜡模等等。 目前用硅橡胶制造的弹性模具已用于代替金属模具生产蜡模、石膏模、陶瓷模、塑 料件及低熔点合金如铅、锌以及铅合金零件，并在轻工、塑料、食品和仿古青铜器等行 业广泛应用，对产品的更新换代起到不可估量的作用。以r p 为技术支撑的硅胶模具技术 缩短了新产品的开发周期，是一种先进的制造技术。美国纽约州特克卡斯特工业有限公 司把硅橡胶模的制造与离心铸造相结合，大大地提高了离心铸造的生产能力，零件的材质 可为蜡、塑料乃至低熔点合金。近年来，我国应用r t v 在模具制造和古代青铜器的复制等 方面有很大进展，如湖南省机械研究所复制了商代的象尊、猪尊、人面鼎，秋时期的提梁 卤，宋朝的铜铡等，达到了以假乱真的效果。武汉机械工艺研究所复制了曾候乙扁钟，使千 年古钟的音容重现。 1 5 国内外研究现状 基于r p 的硅橡胶模具技术是利用原型作为母模而制造模具的，因而原型的设计和制 造是重要的环节。原型的形状、尺寸和表面粗糙度等将直接影响硅橡胶模具的制造质量。 可以说，设计并制造不出理想的原型就不可能获得理想的硅橡胶模具。针对s l s 型选取激 光烧结件精度方面的研究，主要有h j y a n g 等【2 5 】应用t a u c h i 方法研究了s l s 自i 工烧结过 程的x ，y 和z 方向的收缩变化，并提出了不同方向的收缩补偿问题。j o h n d w i l lj a m s 2 6 1 运用数值分析的方法，对能量传输、热量转移和烧结过程进行了研究，并分析了激光功 率、激光束射速、扫描间距、激光束直径和扫描线长度对加工温度场的影响，进而研究 了对密度和强度的影响。 国外的d t m 公司在s l s 成型材料的开发上作了大量的工作，其推出的r a p i dt o o l 2 0 系列材料的收缩率很小，只有0 2 9 6 ，而且粉末细小，层厚最小可0 0 7 5 m m ，所以可以达到很 高的精度和表面光洁度，几乎不需要后续抛光处理【”】。r o c k w e l l 公司研制的c o p p e r p o l y m i d e 材料基体为铜粉，粘结剂为聚酰胺( p o l y a m i d e ) ，其特点是成型后不需要入炉进行二 次烧结，制造周期短，可在1 天内完成模具的制造加工。成型件的表面粗糙度可达到2 5p m ，进行很好的抛光后，粗糙度最低可达1 2um 1 2 。 硅胶的硫化是硅胶模具制作的主要工序之一，文【2 9 】介绍了硅胶模具的制作工艺， 同时提出了并行工程和应用计算机对硅胶的硫化工艺条件进行c a e 分析，有助于指导胶 料配方设计、提高制品质量。文【3 0 3 1 】利用数值模拟的方法对制品的固化和冷却作了 一些理论的研究。同时还对树脂制品快速制作的缺陷作了一些研究，并提出了相应的改 善方法，包括对设备等方面的改进。对于材料方面，国内有一些单位在从事研究，文 3 2 1 研究了聚氨酯弹性体( 树脂) 的力学性能；文【3 3 】对铝一硅胶粉末复合材料快速成形进 行了试验初探。文【3 4 】对室温硫化橡胶材料性能作了一定的研究。文 3 5 1 研究了一种新 型的自硫化硅胶。 在世界科技发达的国家，r p r t 集成技术得到了迅猛发展，并取得了显著成果。美 第一章绪论 国3 ds y s t e m s 公司推出了一种工艺一一3 dk e l t o o l “，用r p 原型翻制出硅胶模作为中 间转换模；然后将用树脂粘结剂混合的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后得 到模具生坯件；通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构( 约3 0 孔隙率) 的模具熟坯件； 最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度：通过简单机加工进一步保证模具精度 ( 可达0 0 4 m m ) ，即得k e l t o o l 模具。清华大学首先提出了无焙烧陶瓷型制模( u n b a k e d c e r a m i cm o u l dt o o l i n g ) 阳该技术首先以r p 原型为母模，将r p 原型翻制为硅胶模，再 由硅胶模翻制陶瓷型，通过陶瓷型精铸得到金属模具。文 3 8 】论述了国内外最新快速模具 技术的发展，比较了间接与直接制模方法的优劣。以上这些都是硅胶模具在间接快速金 属模具中的应用。 对于快速模具的研究。主要就体现在各个工艺环节上，而对于制品浇注工艺过程整体 精度的研究甚少。文 3 9 】 4 0 】介绍了r p & r t 集成环境下快速模具制造技术的方法，探讨 了基于r p & r t 集成环境的快速模具制造发展的关键技术，展望了基于r p & r t 集成环境 的快速模具制造技术的发展前景。 1 6 论文的选题背景、意义与研究内容 1 6 1 论文的选题背景及意义 工模具存在一个巨大的市场，世界范围内己经达到6 5 0 亿美元产值的水平( 亚洲占 3 9 ，北美占3 1 ，欧洲约3 0 ) 。这个市场对于模具的要求是全面的，如精度、材料、寿 命、尺寸、形状复杂程度以及快速性等。由于市场全球化以及竞争的加剧，模具市场对 于每一种模具技术最首要的、带有先决性的要求是其快速性，即从产品设计到进入市场 的时间，这就是快速成形技术和快速模具技术相结合的根本原因。目前国内外发展了基 于r p 技术的直接制模与间接制模技术，直接制造金属模存在精度低，材料性能差的缺点。 堆积金属( 黑色金属、有色金属以及其它耐高温合金等) 的难度决定了直接金属模具制造 在未来的5 6 年内无法在该领域中占据主要地位。现在主要还是间接的快速模具制造技 术，即需要进行r p 原型转换，制造中间过渡模具。 在间接的快速模具制造技术中，快速软模具占有很大的比重。硅胶模具作为其中之 一，它具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂，花纹精密，无拔模斜度甚至倒拔模 以及具有深凹类的零件，制作周期短，制件质量高，成本低的特点，受到了广泛的关注； 同时硅胶模具也可以直接用来浇注塑料制品，进行小批量生产。在当今竞争激烈的社会， 顾客要求生产厂家能够越来越快地开发新产品，对于小批量生产的塑料产品，运用硅胶 模具比传统模具具有更大的优势。 9 江南大学硕士学位论文 表1 2 快速模具与传统机加工模具的比较 制模方法制作成本美元制作周期周犊具寿命许 硅胶浇注法 523 0 金属树脂浇注法 94 - - 53 0 0 电弧热喷涂法 2 56 7l 0 0 0 镍蒸发沉积法 3 06 75 0 0 0 传统机加工法 6 01 6 - , 1 72 5 0 0 0 0 同时，作为新开发产品的检验，硅胶模具也比传统机加工模具有优势。如表1 2 所示， 可以缩短开发的时间，以便响应市场的快速需求；另一方面，成本要明显低于传统机加 工模具。因此，对快速模具的研究，具有很大的现实意义。作为快速软模具之的硅胶 模具，对其工艺的研究也较重要。 1 6 2 论文主要研究内容 论文基于课题组在逆向工程相关技术研究和快速原型技术研究的基础上，充分利用 学校现有的a f s 3 2 0 激光选域烧结快速原型机进行快速原型的制作，同时开发和挖掘现 有c t v i i 型真空注型机的功能，实现对硅胶模具真空浇注及工艺的研究，主要研究内容具 体如下： 1 基于逆向工程的快速原型件制作。主要是简单实现现有产品，经测量得到坐标数据， 通过数据精简，最终在三维软件中建立c a d 模型；对c a d 模型进行切片处理，输入到快 速原型机中，最终得到快速原型件。研究了原型件在烧结过程中，减少变形的措施。对低 强度的快速原型件迸行手工后处理，得到可供翻制硅胶模具使用的母模。 2 硅胶模具真空浇注工艺研究。通过试验，对现有的硅模制模工艺进行改进，对基于r p 原型的硅胶模具后续真空浇注的工艺进行研究。重点研究真空浇注过程中，各主要因素对 制件表面质量的影响。同时实现以石膏为背衬的硅胶模具的制作。 3 工艺过程中各因素对制品尺寸精度的影响。针对现有硅胶模具制品尺寸误差较大的 现状，研究各工艺因素对快速模具成型制品尺寸精度的影响，并对相应的制模工艺作改 进。 4 基于l i p 的硅胶模具真空浇注制品精度探讨。在r p r t 集成制造环境下，研究硅胶模 具真空浇注制品整体尺寸精度误差，运用相关理论来控制误差，为快速模具整体精度研究 提供理论基础。 o 第二章基于逆向工程( 1 i e ) 的快速原型制作 第二章基于逆向工程( r e ) 的快速原型制作 本章主要利用三坐标测量机对实物进行测量，获取其表面的坐标数据。研究了实物的 c a d 建模以及s l s 型r p 件在烧结过程中，减小制件收缩变形的措施。实现了r p 件的 制作，为快速模具提供母模。 2 1 逆向工程概述 产品的反求工程是产品设计领域中一种崭新的技术，而反求工程又为快速原型技术 提供了关键的技术支持。反求工程是一种从实物到实物的过程，主要是由测量设备，测量 成品取得资料数据( p o i n tc l o u d ) ，再进入c a d c a m 软件或专业技术软件，建立工程c a d 资料，并以快速原形机制作原里_ j ( p r o t o t y p c ) ，或是由数控机床做生产加工。逆向工程主要包 括如下几个阶段：数据采集、数据处理、c a d 模型重构三部分。如图2 1 所示： 接触式测量卜1 l数据获取，) _ 1 非接触式测餐 纂会甚多视拼合r 弋 取惦她埋 坐标变化 排序及矢量化rr曲面重构 曲面拼接 2 2 数据的获取 实体c a d 模型 图2 - 1 逆向工程整体框架 数据分块 数据精简 特征提取 曲面求交 曲面裁剪 数据采集可以分为：接触式、非接触式、逐层扫描三大类。通常采用三坐标测量机 ( c m m ) 或激光扫描等测量装置来获取零件表面点的三维坐标值。这些三维坐标点的集合 通常被称为“点云”。包含更多实测物体信息的大容量、高密度点云则被称为“海量数 据点云”。 通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散的几何坐标数据，在此基础上进 江南大学硕士学位论文 行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而， 集，是逆向工程实现的基础和关键技术。目前， 触式测量。 2 2 1 接触式测量 高效、高精度地实现样件表面的数据采 测量技术主要包括：接触式测量和非接 接触式数据采集方法是利用机械探头接触实物样件的表面，机械臂关节处的传感器 确定相对坐标位置。该方法稳定，即伪劣点少、精度高，但是测量速度慢。 最常见的接触式数据采集方法是坐标测量机( c m m ) ，通常是三坐标测量机。c m m 使 其接触探头沿被测表面经过编程的路径逐点捕捉表面数据。测量时，可根据实物的特征 选择测量位置及方向，测得特征点数据。 2 2 2 非接触式测量 采用非接触式方法采集实物模型的表面数据时，测头不与实物表面接触，它们利用 某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取被测物体的三维信息。其中应用光学原 理的现代三维测量方法发展快速，如激光扫描三角法、光栅投影法、莫尔轮廓法、激光 干涉法、摄影测量法等。激光扫描三角法已经成熟，应用已经比较广泛；光栅投影法是 新近研究的热点，技术也越来越成熟，走向实用。非接触式测量的共同特点是不仪能测 量大型工件，如汽车车身等，也能测量小型物体，如硬币表面等。 2 2 3 逐层扫描数据采集方法 逐层扫描数据采集方法主要有工业c t 、m r i ( 核磁共振) 和层切图像法。这种方法可 对零件表面和内部结构进行精确测量，所测得的数据点密集、完整，并包含了所测零件 的拓扑结构。 2 3 点云数据的处理、模型重构 数据处理的主要内容包括：数据平滑、数据简化、数据拼合以及数据分段等。 对获取的数据进行系列数据处理，如数据拓扑结构的建立、数据滤波、数据精简、 特征提取与数据分块等。对于形状复杂的点云，经过数据处理，将被分割特征相对单一 的块状点云。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来 获取零件原形所具有的设计与加工特征。 本试验通过非接触式激光扫描某机械手的一个零部件，得到的点云，如图2 2 所示： 第二章基于逆向工程( r e ) 的快速原型制作 2 3 1 数据光滑 图2 - 2 点云图 由于实际测量过程中受到各种人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为 了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对测量点云进行滤波，称为光顺技术 或称数据光滑，目的是去除误差或噪声。多数过滤都是针对扫描线数据，如果数据点是 无序的，将影响过滤的结果。数据光滑通常采用高斯、平均或中值滤波算法。在本试验 中，数据光滑主要体现在噪声点的去除，如图2 3 所示： 2 3 2 数据简化 ( a ) 光顺前 图2 - 3 数据光顺图 ( b ) 光顺后 对于高密度点云，由于存在大量的冗余数据，将影响数据处理的效率，有时要按一 定要求减少测量点的数量。不同类型的点云可采用不同的简化方式，散乱点云可通过随 机采样的方法来精简；扫描线点云可采用等间距缩减、倍率缩减、弦偏差等方法；三角 化点云可采用等分布密度法和最小包围区域法进行数据简化。图2 - 4 为一组简化后扫描 线点云，采用等间距的方法，间距为0 1 5 m m ，简化后的点云为原始点云的3 5 。 江南大学硕士学位论文 2 3 3 数据拼合 图2 4 数据简化图 在反求过程中，对大型的实物样件进行数字化时，往往不能在同一坐标系下将产品 的几何数据一次测得。其原因：一是产品尺寸超出测量机的行程；二是部分区域测量探 头受被测实物几何形状的干涉阻碍以及不能触及产品的反面，这时就需要在不同的定位 状态下测量产品的各个部分，得到的数据为多次测量的数据。通常为处理方便，将两种 情况下的数据都称为多视数据或点云，由于在几何模型构建时必须将这些不同坐标系下 的多视数据变化或统一到同一个坐标系中，这个数据处理的过程称为多视数据的对齐 ( r e g i s t r a t i o n ) ，或数据拼合等。下图为一组数据的拼合图。使用l s h 8 0 0 三维激光扫描仪， 在测量时采用垂直扫描，由于测量机本身一次的测量高度只有5 0 r a m 。对于高度超过 5 0 r a m 的零件，只有通过多次扫描来完成。但是，由于测量机本身的精度，在垂直方向 的两次扫描中存在较大的数据拼合误差，如图2 5 a ；其次，对于存在拼合误差的点云， 可以通过软件来减少拼合误差，可在专用逆向软件中实现，如图2 5 b 所示为i m a g e w a r e 软件下拼合得到的点云图，精度明显好于硬件拼合图。对于一些小型零件，在测量时尽 量一次扫描完成，避免多次测量后出现拼合误差。 ( a ) 硬件拼合( b ) 软件拼合 图2 - 5 数据拼合图 1 4 第二章基于逆向工程( i l e ) 的快速原型制作 2 3 4 曲面重构 根据曲面的数据采集信息来恢复原始曲面的几何模型，称为曲面重构，曲面重构是 逆向工程中关键技术之一。通过已有的点云数据要做出满足一定精度要求，又要保证足 够光顺度的曲面，曲线的拟合与曲线位置的选取成为曲面重构的关键。在逆向软件l m a g - e w a r e 中提供这方面的功能，在处理好的点云数据中尽量多的截取点云截面线如图2 6 a 所示。选择适当的点云截面线拟合成曲线如图2 6 b 。由于直接由点云拟合的曲线不够 光顺，曲率变化不是很平滑，存在很多问题。通过调节曲线的曲率梳，使得曲率变化尽 可能的均匀，这样做出来的曲面才尽可能的光滑，如图2 6 c 所示： ( a ) 界面线图 2 3 5c a d 模型重构 ( b ) 拟台曲线幽( c ) 拟合曲面图 图