（材料加工工程专业论文）硅胶快速模具真空注型过程cae分析.pdf

摘要 摘要 以r p 技术应用为基础，采用r t v 硅胶模技术和真空注型技术的新产品开发 快速制造路线，已成为塑料类产品创新开发试制的重要手段，并广泛应用在汽车、 电子、医疗等领域中。 近年来，随着计算机技术的快速发展，c a e 技术被广泛的应用到工程分析的 各个领域，然而针对快速硅胶模具的真空注型过程的c a e 分析还比较缺乏。本 论文应用成熟的商业化注塑分析软件m o l d f l o w ，对真空注型的工艺过程进行计 算机模拟分析，拓展了m o l d f l o w 软件的应用范围；并且通过对浇口位置、填充 过程和翘曲变形的分析，有助于提高产品开发试制效率和成功率。 应用m o i d f l o w 软件进行分析，并对相应的零件进行了实验验证，通过实验 结果与分析数据结果的对比分析，证明了采用m o l d f l o w 软件对真空注型过程的 浇口位置、流动性、翘曲变形等分析结果与实验结果的一致性较好。 对m o l d f l o w 分析的网格数据前处理过程进行了多方面的尝试，通过 h y p e r m e s h ，m o l d f l o wc a dd o c t o r 、m a g i c ss t le x p e r t3 0 、m o l d f l o wd e s i g nl i n k 等软件的综合应用，探索出一条简便、快捷、有效的m o l d f l o w 网格划分方法和 流程，保证了软件之间转换效率和模型质量。该方法首次使用了h y p e r m e s h 软件 m o l d f l o w 内置宏模块与m p i 自动划分相结合，进行了快捷的3 d 网格划分，使 得3 d 网格的划分过程变得简便易行。而且通过不同零件的分析，证明了该流程 的可行性。 关键词：快速成形硅胶模网格划分真空注型m o l d f l o w a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fr pt e c h n o l o g y , t h en e wp r o d u c td e v e l o p m e n tl i n e ， w h i c hu s e dt h er t vs i l i c o nr u b b e rm o l d i n ga n dv a c u u mc a s t i n g h a sn o ww i d e l y a p p l i e dt ot h ef i e l do fa u t o m o b i l e ，e l e c t r o n i ca n dm e d i c a le t c i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c a e a n a l y s i sh a sw i d e l ya p p l i e di ne v e r yf i e l do ft h ee n g i n e e r i n g h o w e v e r , i ti sl a c ko f c a e a n a l y s i sb a s e do nt h ep r o c e s s i n go fv a c u u mc a s t i n gf o rr a p i dt o o l i n g t h i sp a p e r s t u d yt h ep r o c e s so ft h ev a c u u mc a s t i n gb yu s i n gt h es o f t w a r eo fm o l d f l o w , w h i c hi s t h ea d v a n c e dc o m m e r c i a ls o f t w a r eu s e df o ri n j e c t i o ns i m u l a t i o n i th a se x t e n d e dt h e s c o p eo ft h ea p p l i c a t i o no fm o l d f l o w , a n di m p r o v e dt h ee f f i c i e n c ya n ds u c c e s sr a t ei n t h ep r o d u c td e v e l o p m e n tw i t ht h ea n a l y s i so fg a t el o c a t i o n ，f l o wa n dw a r p u s i n gm o l d f l o ws o f t w a r ea n a l y z e dt h ep r o c e s so ft h em o l d i n g ，a n dd o i n gt h e e x p e r i m e n tw i t ht h es a m ep a r t s ，a n dc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h e e x p e r i m e n t ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h eu n i f o r m i t yb e t w e e nt h ea n a l y s i sr e s u l t so fg a t e l o c a t i o n ，f l o wa n dw a r pe t c a n dt h ee x p e r i m e n t si sg o o d t h i sp a p e rh a sa t t e m p t e dv a r i o u sw a y st oo p t i m i z et h em e s hs t a t i s t i c sb e f o r e c a e a n a l y s i s ，a n de x p l o r e das i m p l e ，r a p i da n de f f e c t i v em o l d f l o wm e s hm e t h o da n d p r o c e s st h r o u g hu s i n gh y p e r m e s h ，m o l d f l o wc a dd o c t o r , m a g i c ss t le x p e r t3 0 ， m o l d f l o wd e s i g nl i n ka n ds oo n t h i sp r e t r e a t m e n tm e t h o dh a sg u a r a n t e e dt h e t r a n s f e re f f i c i e n c ya n dt h em o d e lq u a l i t yw h e nt h ed a t at r a n s f e ri nd i f f e r e n ts o f t w a r e t h i sm e t h o d ，w h i c hf i r s tc o m b i n e dt h em o l d f l o wm a c r oi nh y p e r m e s hw i t hm p i a u t o m e s h ，h a sq u i c k l yg o tt h e3 dm e s ha n dm a d et h ep r o c e s so f3 dm e s he a s i l ya n d s i m p l y m o r e o v e r , t h r o u g ht h ea n a l y s i sw i t hd i f f e r e n tp a r t sh a sp r o v e nt h i sm e t h o di s f e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ，s i l i c o n r u b b e rm o l d i n g ，m e s h ，v a c u u m c a s t i n g ，m o l d f l o w , 插图清单 插图清单 图2 1s t l 模型6 图2 2s t l 三角形法向规则6 图2 3 世界首台快速成型机。7 图2 4s l a 工艺原理图8 图2 5s l s 工艺原理图8 图2 - 6l o m 工艺原理图9 图2 7f d m 工艺原理图9 图2 8 包括r p 技术的产品开发流程图1 1 图2 9r p 流程与应用途径1 2 图2 1 0 进气岐管样件与实验曲线。1 2 图2 11 汽车变速箱蜡型及铸造件l3 图2 1 2 硅胶模快速制模工艺流程框图。1 4 图2 。13 硅胶模制模过程1 4 图2 1 4 真空注型工艺流程框图15 图2 15 真空注型过程16 图3 1 大平板牛顿流体剪切黏度示意图1 9 图3 2 不同类型流体的流动曲线2 0 图3 3 黏度与剪切速率的关系2 0 图3 4 中面流网格2 6 图3 5 表面流网格2 6 图3 - 6 实体流网格2 7 图3 ，7m o l d f l o w 数据处理与分析流程2 9 图3 8 摩托车尾大灯组件3 0 图3 - 9 灯盖零件图3 1 图3 10m i d p l a n e 网格处理流程图31 图3 1 1h y p e r m e s h 导入与m p i 直接处理结果对比3l 图4 1 摩托车尾灯3 3 图4 2m o l d f l o wc a dd o c t o r3 0 界面图3 4 图4 3c a dd o c t o r 修复结果3 5 图4 4c a dd o c t o r 处理结果与原始网格划分对比3 6 插图清单 图4 5 模具材料设置对话框3 7 图4 6 热固性材料参数设定对话框3 8 图4 7 反应成型f l o w 分析工艺参数设定3 9 图4 8 最佳浇口位置分析4l 图4 9 流道系统4 2 图5 1 内燃机进气岐管图4 5 图5 2 输出m o l d f l o w 模型对话框4 6 图5 3 修正未固化p v t 曲线4 8 图5 4 修正固化p v t 变化曲线4 8 图5 - 5 进气岐管f u s i o n 网格数据图5 0 图5 - 6 进气岐管单点浇口位置分析结果5 0 图5 7 进气岐管双点浇口位置分析结果51 图5 8 填充分析对比图5 3 图5 - 9 气孔位置对比图5 3 图5 1o 翘曲变形量对比图。5 4 图5 11 排气歧管产品5 4 图5 12 排气歧管硅胶模5 5 图5 13 注型脱模后零件图5 5 图6 1 引入c a e 后得硅胶模制作流程对比图5 6 表格清单 表格清单 表2 1 快速成形技术的工艺特点与性能对比表1 0 表3 1 国外商业化模流分析软件2 4 表3 2 国内商业化模流分析软件2 4 表3 3m p l 分析类别2 5 表3 4m o l d f l o w 反应成型分析类别2 7 表3 5m o l d f l o w 支持数据格式类型2 8 表4 1e s s i l 2 91 材料参数表3 7 表4 2p x 2 2 0 物理参数表3 8 表4 3p x 2 2 0 机械性能和热性能表3 8 表4 4 尾灯f l o w 分析工艺参数设置表4 0 表4 5 真空注型填充分析表4 3 表5 1m o l d f l o w 优化前后网格对比4 7 表5 2 进气岐管f l o w + w a r p 分析工艺参数表4 9 表5 3 流道形式方案对比表51 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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了谢意。 学位敝储虢獬签字隰2 叼年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师繇制 导师签名：眵雩脚 签字r 期：沙孑年多月多f i签字同期：加彬髟年 f 月占日 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 模具工业现状 第一章绪论 模具是工业生产的重要基础装备，在国际上被称为“工业之母”，模具制造 业已成为与高新技术产业互为依托的产业，模具工业技术水平的高低已成为衡量 国家制造业水平的重要标志之一。模具技术涉及新技术、新工艺、新材料、新设 备的开发与推广应用，是一门技术综合性强的精密基础工艺装备技术，是冶金、 材料、理化、计量、摩擦与润滑、机电一体化、计算机等多门学科以及铸、锻、 热处理、机加工、检测等诸多工种共同打造的系统工程【l 】。 近年来，全球制造业市场环境发生了巨大变化，国内的制造业竞争也日趋激 烈，模具行业面临许多新的挑战： ( 1 ) 研发过程需要根据市场变化做出快速响应，新产品上市快、生产制造周 期短，由此对模具制造的要求也大大增强； ( 2 ) 模具的制造需要适应产品类型的多样性、小批量生产； ( 3 ) 由于产品结构日趋复杂，导致大型、精密、复杂零件增加； ( 4 ) 为适应市场需要，企业在技术、管理、组织上要更具有柔性。 我国模具工业经过近半个多世纪的发展，尤其是8 0 年代以来，在国家产业 政策和与之配套得一系列经济政策得支持和引导下，取得了前所未有得快速发 展。但是，当前模具工业仍旧存在诸多问题，其中突出问题主要表现在以下方面： 模具技术人才资源不足，而且模具技术人员的水平参差不齐；模具设计、制造、 生产过程的标准化程度不高；模具制造的专业化程度不高，对经验的依赖度高； 模具寿命偏低，新技术、新工艺、新设备、新材料推广应用缓慢；模具行业各种 规范和标准十分缺乏，不利于整个模具行业的快速发展，也不利于我国现阶段工 业快速发展对基础装备的迫切需求。 1 1 2 模具工业发展趋势 随着我国经济的持续、稳定、健康的发展，工业化程度的不断提高，模具工 业将发挥更加重要的作用，根据相关资料分析，未来十年，中国的模具工业发展 方向主要集中在以下几个方面： 第一章绪论 ( 1 ) 提高大型、精密、复杂、长寿命模具设计制造水平，优化模具产业结构； 由于当前产品结构日趋复杂，导致成型( 形) 零件日趋大型化，而且由于高效 率生产所要求的一模多腔，使模具日趋大型化；随着零件微型化和模具结构发展 的要求，模具精度已由原来的5 1 u n 提高到2 3 1 u n ，今后有些模具加工精度公差 更是要求在1 岬以下，当前一些发达国家的加工制造水平已经达到l p m ，其研究 方向已经向纳米级发展，这些必将促进我国超精密加工技术的发展；此外，相关 资料表明，我们出口的模具仍以中低档为主，而进口模具却以中高档为主，其主 要缺口集中于精密、大型、复杂、长寿命等技术含量高的模具领域【1 1 l 引。 ( 2 ) 开发应用新材料、新工艺，提高加工制造能力，创新管理模式和理念 模具材料是模具工业的基础，当前，国外模具材料系列日趋完善与细化，系 列化程度已越来越高。近年来，国内开发的高级优质模具钢品种虽然不少，但推 广应用不足，每年仍有大量模具钢依靠进口。材料的表面处理技术以及各种加工 技术在近些年也得到了长足得发展，这些新技术的广泛应用仍旧需要加以时日。 ( 3 ) 提高模具标准化水平、加大模具标准件的使用 模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制造周期，提高模具的质 量和降低模具制造成本，从而提高国内模具的国际竞争力。 ( 4 ) 全面推广c a d c a m c a e 在模具设计制造中的应用 通过与计算机技术紧密结合，人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化 特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快、学科领域交叉 之广前所未见。今后10 年新一代模具c a d c a m c a e 系统必然是当今最好的设 计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物，其特点将反映在 专业化、网络化、集成化、智能化4 个方面1 4 j 。 ( 5 ) 快速模具技术得推广应用，模具的高速测量技术与逆向工程 快速模具( r a p i dt o o l i n g ，r t ) 制造及快速原型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 技术 是国内近几年才迅速发展起来的先进制造技术，并且正向高精度、更快捷的方向 发展。该技术与传统的模具技术相比，具有制模周期短、成本低的特点，是综合 经济效益较显著的模具制造技术。在当今的西方，“快速产品开发”在众多成功 公司当中已经成为一种潮流，是r p 促成了这种潮流，而且信奉“快速产品开发 的设计部门被公司看作为“利润发动机”。 与此同时，为适应现代先进制造技术的发展，需要将实物样件或手工模型转 化为c a d 数据，以便利用r p 、c a d c a e c a m 系统等对其进行处理，并进行 修改和优化设计。逆向工程专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实 现了从实际物体到几何建模的直接转换。它根据已存在的产品或零件原型构造产 品或零件的工程设计模型，在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，是对 第一章绪论 已有设计的再设计。 1 1 3 快速模具技术 由于当前客户的需求的多样化，以及市场激烈竞争，导致产品的研发周期越 来越短，模具的制造周期也相应缩短，国际先进水平的加工制造技术逐步向超精 密、超高速以及柔性制造的方向发展。相应的装备制造趋向于多功能、模块化、 数控化、超高速、柔性化；现代成型制造技术从精密制造向净成型方向发展，快 速成型向高速成型发展；传统制造向非常规制造和极端制造发展，信息化技术在 管理、制造、工艺模拟和质量控制等方面普遍应用，使制造周期缩短，产品能快 速响应市场的需求1 2 j 。 r p 技术作为2 0 世纪8 0 年代中后期发展起来的一种先进成形制造技术，可以 由零件的数据模型直接生成实物模型，广泛应用于制造业领域的新产品的研发和 生产试制过程。基于r p 技术的快速制模技术区别于常规机械加工的金属模具， 通常以双组分室温固化( r o o mt e m p e r a t u r ev u l c a n i z e d ，r t v ) 高分子合成材料为 制模材料( 如硅橡胶、树脂) ，准确、快速的制作注型用软模具。该技术结合真 空注型技术，可以快捷、准确地实现塑料类产品零件的研发试制和小批量生产1 5 j 。 基于快速原型制造的快速模具技术适用于新产品样件试制和中、小批量规模 生产，而且在柔性制造方面具有显著的优势，可大大缩短新产品开发周期、降低 研发成本，具有很高的技术经济效益。并且c a d c a e 与r p & m 的结合，使快 速模具设计制造更加合理，这对缩短产品开发周期、降低开发成本，保证产品质 量至关重要。 1 1 4 真空注型c a e 技术的研究 随着c a e 技术在注塑行业的应用，注塑模具设计、加工的成本大大降低， 效率成倍提高，该技术的社会地位已得到充分的认可和重视。其中以m o l d f l o w 软件的应用最具代表性，已经占注塑行业c a e 分析软件市场的9 0 以上，该软 件主要针对金属模注塑过程，模拟分析热塑性塑料熔体进入模具的流动过程，而 且可以对塑料的浇口位置、压力分布、冷却过程、翘曲变形以及注塑工艺条件等 进行模拟分析。 针对快速模具的真空注型过程，开展c a e 分析和优化，难点在于模具材料、 注塑材料和工艺过程参数都与热塑性材料注塑过程不同，尽管国内外已有一些研 究工作在进行，也取得一些初步进展，但仍需要进一步的研究，特别是在充型分 析、注料口位置、变形分析等方面的进一步研究。 第一章绪论 1 2 课题研究内容及其研究方法 本课题主要依托于天津大学主办的快速原型制造技术生产力促进中心( 天 津) 、天津市快速成形技术工程中心( 天津市天大银泰科技有限公司) ，该中心在 快速成型快速制模方面具有较强的技术研究能力和应用经验，工艺设备齐全， 实验可得到有效的支持。 本课题以模拟分析为主，辅以实验研究，目的在于通过借鉴引入注塑模具的 c a e 分析来定性分析真空注型的浇口位置、填充过程以及翘曲变形分析，旨在 通过c a e 分析获得真空注型工艺的一些通用性结论，从而用以指导真空注型工 艺，提高该工艺的工艺水准，提高快速制模的效率。同时，在分析过程中，研究 了m o l d f l o w 分析的各种数据处理方法，通过多种途径的数据处理方式，总结了 获得不同网格分析用优质的网格的各种方法。 1 3 课题研究的意义及章节安排 针对硅胶快速模具的真空注型过程进行c a e 分析，借鉴了注塑模c a e 分析 的成熟经验，拓展了m o l d f l o w 的应用范围；同时，对c a e 分析前期的数据处理 方式，进行了系统的研究，总结归纳了多种有效的网格处理方式，由此获得了高 质量的符合分析需要的网格，该研究结果同样适用于m o l d f l o w 分析的其他模块， 具有较高的实用价值；在快速模具的规划中引入了优化设计理论，扩大了优化理 论的应用，并且对真空注型进行前期的计算机模拟分析，为快速模具的设计规划 和真空注型过程提供理论分析支持，形成了一些一般性的原则指导生产。 本课题针对快速硅胶模制造和应用过程中的真空注型过程，运用成熟的模流 分析软件m o l d f l o w 进行各种分析，从而优化该工艺流程，主要研究过程由以下 几个部分构成。 第一部分：对模具工业现状和挑战，以其发展趋势进行简要介绍，对快速成 型以及快速模具的优势进行简要的概括性说明； 第二部分：对快速成型、快速模具的原理以及加工制造过程进行详细介绍， 对真空注型工艺过程、工艺缺陷、常见问题等进行简要的说明； 第三部分：介绍模流分析的原理，网格处理软件h y p e r m e s h 以及模流分析的 软件m o l d f l o w ，对前期的数据处理方法进行系统的详尽的说明； 第四部分：应用p r o e n g i n e e r , u g 等实体建模软件进行建模，应用h y p e r m e s h ， c a dd o c t o re x p e r t 等网格处理软件对所建模型进行网格处理，应用m p i 软件对 真空反应注型过程进行流动性、浇口位置以及翘曲变形等过程进行实例分析，该 4 第一章绪论 部分的实例为摩托车的尾灯。 第五部分：通过内燃机的进气岐管的注型过程不同方案的对比分析，总结整 个分析优化过程的可行性，并且与实际实验结果对比分析，获得有效的真空注型 过程的指导性建议。 第六部分：对整个分析过程的归纳总结，提炼通用性的分析手法，以及建设 性的可应用于工程实际操作领域的一般性原则。 镕= 章基f 快建威形技术硅腔模快速制模与真型# 术 第二章基于快速成形技术的硅胶模快速制模与真空注型技术 快速成形技术，又称快速原型( p 咀p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 技术或快速原型 制造( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r e ，r p & m ) ，最初是在2 0 世纪8 0 年代末 兴起于美国。经历了短短的十几年，快速成形技术有了巨大发展并形成一个新兴 的技术产业对以计算机技术为基础的现代数字化产品开发和生产起到了显著的 促进作用”i 。 2 1 快速成形技术 2 1 1 快速成形技术特征 快速成形技术是基于离散堆积成型方式，将零件的数字信息转化为物理实体 的制造技术的总称，其基本原理是分层制造，逐层累加：它集计算机图形技术、 精密伺服控制、激光技术、新材料技术等为一体，能够由零件的数据模型直接实 现实物模型。 快速成型技术应用的零件三维模型是一种“三角形片”模型，称为s t l ( s t e r e o l i g h t g r a p h y ) 模型。s t l 3 件格式是由美国3 ds y s t e m s 公司开发的，是目前快速 成型( r p ) 领域的标准文件格式。s t l 文件是一种“小平面”或称“三角形片” 格式，它通过一系列有序简洁的空间三氟形片来描述三维实体模型。如图2 - 1 所 示1 7 h 9 i 。 图2 - is t l 模型 图2 - 2s t l 三角形法向规则 每一个三角形包括面片的法矢和三个顶点的几何坐标值，且遵循着一些基本 规则，包括： = 章基 快速* 拄术的硅股横快速制模与真空型技术 ( 1 ) 方向一致性规则：即三角面片的法向矢量始终要朝向实体外侧，且与三 角形的三个顶点顺序符合右手法则，如图2 - 2 所示； 犯) 顶点法则：每一个三角形必须有2 个顶点与其相邻的三角形共用，即一 个三角形的定点不能落在另l 个三角形的边上。 s t l 文件毗小三角形面为基本描述单元来离散地近似描述模型表面是三维 模型单元表述法的一种有效应用形式，可以在现有的通用c a d 软件( 如p r o e 、 u g 、c a t i a 、i d e a s 、s o l i dw o r k 等) 中将c a d 模型转化为s t l 格式模型。近 年来s t l 文件也在各种需要三维模型描述的诸如有限元分析、流动性分析、医 学成像系统、反求工程等领域得到了越来越多的应用。 2 1 2 快速成形典型工艺类型分析 快速成形的实现过程首先是将一个三维实体的设计模型，进行三角形化处理 转化为s t l 格式模型，在累加成型的方向以一定厚度进行切片处理，取得每一层 片的形状特征，这类似一个“微分”过程；形成每层的加工路径文件后，在成型 机上逐层制造、逐层累加，自动成型这个过程类似一个“积分”过程。与传统 加工方式比，r p 成形是一个“加”材料、“长出”的过程，而机械加工是一个去 除材料、“减”的过程；r p 技术可以不借助任何模具、刀具，将任意复杂的设计 模型加工出样件来h j 。 9 8 6 年，c h a r l e sh u l l 教授发明了第一台商 业化快速成型机一s l a 1 型光固化快速成形 机，如图2 - 3 所示。其成形原理是利用一些高 分子液体材料对特定波长的激光具有反应固 化的特性，采用紫外激光作为光源，在光敏材 料( 光固化树脂表面) 按照层面形状扫描，分 层固化，叠加成形。这也就是s l a 工艺的成形 原理。 在这样的基本原理下，r p 技术现已发展了 许多种工艺方式，根据成型材料及加工工艺的 不同，目前在广泛应用的几种典型t 艺有： l o m ( l a m i n a m do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 叠层 图2 - 3 世界首台快速成型机 制遗工艺、s l a ( s t e r e ol i g h t g r a p h ya p p a r a t u s ) 树脂光固化成型工艺、s l s ( s e l e e t e dl a s e rs i n t e r i n g ) 选择性激光烧结成型、f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 熔融沉积成型工艺等。 ( 】) 光固化成型工艺一s l a ( s t e r e ol i g h t g r a p h ya p p a r a t u s ) 第= 基f 快建成拄术的硅腔模快速制模与真型技术 光周化成型工艺基本原理如前所述，其成型过程包括： 激光通过扫描器在光敏树脂表面进行当前层面扫描固化； 某一层扫描固化后，支架托板( p l a t f o r m ) 向下移动一个层厚； 静置一端时间后，刮板( r e c o v e r ) 沿液面移动保持液面平整； 激光开始在下一个层面扫描固化。 成形过程首先在托板上生成珊栏状支撵( s u p p o r c ) ，成形零件的最底层或突 出的悬臂结构由这些支撑支承，每一层扫描固化的同时，与前一层固联一起，逐 层扫描固化，直至所有层面的固化，即完成整个零件的成形。其工艺原理图如图 2 4 所示。 一 i 羔 i i j ：二：】 图2 - 4s l a 工艺原理图 ( 2 ) 激光选区烧结或粉末烧结工艺一s l s ( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) s l s 快速成形工艺于8 0 年代末期最先在美国出现，其工艺过程与s l a 过程相 似，只是应用材料为高分子粉末，包括聚苯乙烯、蜡粉、尼龙等微粒粉末，激光 采用红外激光，利用红外激光的热效应将高分子粉末材料黏结成型片，逐层扫描 完成整个零件的成形。工艺原理如图2 5 所示。 蕾 i 。j 手f 圉2 - 5s l s 工艺原理国 第= 章基f 快建成形拄术的硅脞摸快速制模与真空型技术 ( 3 ) 叠层制造工艺一l o 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 快速成型工艺过程使用的是背面代胶的纸张( 塑料) 等箔性材料，层片 之间的粘结通过热压滚滚压两层材料粘合，层片形状通过红外激光的“光刀”， 通过扫描器控制“光刀”路径，“切”出层片形状，逐层粘台、扫描切割，累加 形成整体零件。工艺原理如图2 - 6 所示。 矗一 扩萱舒 ! + 覆蓊纩7 i，伊z蔷7ij美-,l 雷2 - 6 l o m 工艺原理图 ( 4 ) 熔融沉积成型工艺一f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) f d m 快速成型工艺过程采用电加热喷头沿x 、y 导轨扫描定位，喷头中挤压 出受热熔融状态的熔丝材料( 尼龙等塑料材料) ，凝固形成层片轮廓形状的薄层， 逐层累加形成整个零件模型。其工艺原理图如图2 7 所示。 、 留2 7f d m 工艺原理图 第二章基于快速成形技术的硅胶模快速制模与真空注型技术 以上四种主要成形工艺的工艺特点与性能之间的差异见表2 1 所示。 表2 1 快速成形技术的工艺特点与性能对比表 除以上的四种典型工艺方法外，其它如z c o r p 、3 d p r i n t e r 、t h e r m o j e t 等方法还很多，但当前仍以s l a 、s l s 、l o m 、f d m 四种工艺最为成熟，国内 从事r p 技术研究和应用也主要集中在这四种工艺。 2 1 3 快速成型技术的作用及应用途径 快速成形技术的作用主要包括： ( 1 ) 快速成形是现代产品开发体系中的一个重要环节 现代产品开发中，计算机及设计分析软件( i d c a d c a e ) 成为主要方式，数据 文件成为设计方案的最主要形式；而功能性试验则是保证产品功能的重要手段。 r p 技术以其快速、准确、由数据直接生成实物的特点，在数字化产品开发流 程中具有重要和不可替代的作用，图2 8 为包括r p 技术的产品开发流程图。 i o 第二章基于快速成形技术的硅胶模快速制模与真空注型技术 图2 8 包括r p 技术的产品开发流程图 ( 2 ) 快速成形技术是促进产品快速开发的有力保障 l 冲技术可以在几小时或几天之内准确地将产品设计方案实物化，为产品的 评审、定型提供了更直观、更灵活的研究手段，大大简化了试制一修改的过程， 可以明显缩短产品开发周期，提高产品设计质量。 r p 制件结构特征准确，材料物理特性明确，可以用于流体流动特性、力学 特性以及结构强度等方面的试验。 快速成形技术的流程与应用途径图2 - 9 所示 第= $ 于* 谜m 控$ 的腔模快制模# 真i n 技 圈2 - 9r p 流程与应用途径 ( i ) 应用快速成形技术直接制造产品样机 样件，可直接用于产品设计的结构验证和部分 功能验证。 如采用s l s 工艺制作电喷发动机进气歧 管，材料为p s b 塑料粉末，成型后可直接用 于发动机性能试验( 如图2 - 1 0 ) ，测取充气效 率等数据进行方案优选，与传统制作方法相 比，费用和时间成倍下降。 近年来应用s l s 工艺烧制金属塑料复合 粉末、低熔点金属微粒粉末的研究也在开展 中。l ( 2 ) 硅胶模快速制模与真空注型技术，主 i 要用于塑料类零件的小批量制造 快速制模技术( r a p i dt o o l i n g ，r t ) 以双 l 组分室温固化合成材料为制模材料( 如硅橡 鲤 胶、树脂) ，可以准确、快速制作注型用软模“n t 嚣 苎：竺胶快苎箩号置! j “模! 度高、时间短、 图2 枷进气岐誓样件与实验曲线 造价低廉，模具结构简单、使用操作方便等特 点。 真空注型( v a c u u m c a s t ，v c ) 技术是指在真空环境下，应用双组分反应型注 型树脂进行真空灌注成型的技术工艺。真空注型工艺具有设备要求低、操作方便、 出模便利、注型质量好等特点。 基于r p 技术的快速制模技术，是指采用快速成形样件为原型制造树船类注 型模，结合真空注型技术，可以实现塑料类产品的小批量快速制造。该项技术是 近年来快速发展起来的产品创新开发的共性化快速制造技术路线。 本文的主要工作是针对硅胶模真空注型过程，进行注型过程及注型产品性能 第= 基十快速形技术日勺# 腔模快速翻模与真空注型技术 的计算机辅助分析，以期探求其典型规律为提高快速摸具结构优化、提高注型 产品质量提供支持。 ( 3 1 快速成形结合精密铸造，快速生产金属类产品样件。 应用s l s i 艺制作塑料，蜡混合材料的产品模型，结合失蜡精密铸造工艺，可 以实现由产品设计数模到功能型金属样件的直通过程，特别适用于复杂产品试验 性样机的快速制造，如图2 - 1 1 所示为一实例。 图21 1 汽车变速箱蜡型及铸造件 2 2 基于快速成型技术的快速制模与注型技术 快速制模技术是对传统制模技术的改进和补充，传统的模具具有使用寿命 长、精度高等优点，适合于产品定型后的大批量生产用，也存在着制造费用高、 制作时间长的缺点，这对于产品开发试制过程中时闻和费用的代价是很大的。快 速制模技术主要针对产品的研发试制过程中的模具，不用或少用机械加工手段， 采用非金属或复合材料浇注成型的方法，快速成型、快速制造，满足产品试制和 小批量生产的需求，可以明显降低制模费用，缩短制模周期。本项目中硅胶模快 速制模技术主要是针对塑料类零件的试制及小批量生产所开发的一项快速制模 技术，它以双组分室温固化硅橡胶为制模材料，准确、快速制作注型用软模具。 基于快速成形技术的快速剖模与注型技术是在快速成形技术应用的基础上， 进行硅胶模快速制模技术的开发，通过快速成形技术、快速制模技术和真空注型 技术的集成和优化。形成一条多技术工艺集成优化的技术路线，有效促进塑料类 新产品研发的快速制造。 2 2 1 硅胶模快速制模工艺 硅胶快速制模方法可分为直接制模法和二次制模法，直接制模法是通过硅橡 第= 章基十快速技未的硅脞横快速制模与真注型技术 胶一次固化成型完成模腔结构的制取，固化后手工剖切分型，使上下模分别固化 成型】。实际应用中主要采用直接制模方法，其制模方法流程如下： 图2 1 2 硅腔模快速制模工艺流程框图 移孕丽 原型件准备( 2 ) 围框内浇注硅胶 3 ) 脱气、固化( 4 j 胶模分型 图2 1 3 硅胶模制模过程 影响硅胶模特性的因素主要有：制模用硅胶性能、模具的注口与开模结构、 模芯与预置件的使用、模具尺寸与模腔体积等，这些因素会影响到模具的注型件 精度和使用寿命等。 翌雾 熙 萱一 - 每一 第二章基于快速成形技术的硅胶模快速制模与真空注型技术 硅胶模快速制模有如下特点： ( 1 ) 良好的制模操作性。固化成型后的软模具为透明或半透明状，具有较好 的拉伸强度，便于切割分型。 ( 2 ) 良好的复现性。制模用硅橡胶在固化前具有良好的流动性，配合真空脱 气，可以准确保持模型的细致结构及饰案。 ( 3 ) 良好的离模性。对于模型在出模方向上的反斜度结构，可依靠材料的弹 性变形直接取出模型。 ( 4 ) 良好的模型尺寸稳定性。 2 2 2 真空注型工艺 真空注型工艺是在常温下，应用真空注型机，在一定的真空度( 约l x l 0 。2 m p a ) 和大气压力的配合下，加入精确配比的双组分反应固化聚胺脂材料，由于双组分 材料在混合反应和注型时产生气泡，真空环境下，便于脱除气泡。对比反应注型 ( r i m ) 工艺，真空注型工艺具有注型件填充性好，材质均匀密实，细部特征清 晰，具有良好的注型质量。真空注型过程的工艺流如图2 1 4 、图2 1 5 所示。 硅胶模合模密封 硅胶模预热 i 注型树脂称量、脱气 l 注型树脂混合、脱气 真空浇注 注型件固化 开模、出件 l 去浇口、注型件检验 图2 1 4 真空注型工艺流程框图 第= 章基于快m 技术# 模快速“糖与真! 型技术 岛8 合模密封 ( 2 ) 树脂配比温台 蜊穆 真空浇注( 4 j 开模清理检验 2 2 3 真空注型常见缺陷 图2 1 5 真空注型过程 真空注型工艺采用常温下材料注入、反应固化后成形的工艺过程，材料反应 速度的控制直接影响注型件的成形质量和材质特性。影响反应速度的主要因素包 括反应温度、材料均匀度、模腔通道尺度等。 真空注型件常见缺陷包括： ( i ) 注型填充不满，造成零件结构不完整，或局部存在气泡。 解决方法：合理布置浇注系统控制适宜的反应温度和浇注压力，选用适宜 的注型材料。 ( 2 ) 注型件变形明显。 解决方法：控制适宜的反应温度和固化温度，合理设计模具分型结构。 f 3 ) 横具老化或出型困难造成模具局部结构损坏，导致零件结构缺损。 解决方法：合理设计模具分型结构，适当采用模芯、镶件，合理布置浇注系 统。 弼 露渤 第三章硅胶模真空注型c a e 原理及应用 第三章硅胶模真空注型c a e 原理及应用 以快速成型( 1 冲) 技术应用为基础，采用r 1 v 硅胶模技术和真空注型技术， 已经广泛的应用塑料类新产品的小批量制作中。但是在真空注型工艺过程中，对 高精度、复杂件的填充注型仍然主要依靠既往经验和试模调整，一定程度上影响 了注型质量和生产效率。 随着计算机技术的发展，以计算机模拟注塑加工过程，完成模具的优化设计 的计算机辅助工程( c o m p u t e i - 一a i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 技术，已经广泛的应用 到了模具的设计、加工和制造过程。将已经比较成熟的注塑c a e 分析引入到快 速制模真空注型工艺过程中，将更有效地规划制模工艺，缩短研发时间，提高 产品质量。 3 1 注型分析原理 3 1 1 有限元法基本思想 模拟聚合物成型加工过程，通常采用的数值方法有有限差分法、边界元法和 有限元法。有限元法是三种数值方法中较为灵活和实用的求解