（机械制造及其自动化专业论文）基于rprt技术的手机外壳研制.pdf

论文题目：基于r p r t 技术的手机外壳研制 专业：机械制造及其自动化 硕士生：陈金玉( 签名) 叠玺金亟 指导教师：杨来侠( 签名) 摘要 手机作为现代人们生活的必需品，在过去十几年的发展历程中，各厂商都尝试着在 手机外壳造型、材料工艺和结构等方面进行不同的组合。为了提高手机在市场上的竞争 力，客观上要求对制造手机外壳的关键工艺一模具的开发周期和制造成本进行控制。基 于r p r t 技术的手机外壳制造，工艺简单，无需要传统的机械加工，从产品的设计制造， 到投入市场，大大缩短了开发周期，是手机外壳现代制造技术的一个重要发展方向。 本文建立了手机外壳制作的r p r t 集成制造系统。首先根据手机设计要求、传统手 机外壳设计的经验和快速成型工艺要求建立了简单的手机三维模型；其次利用快速成型 工艺( s l a ) 做出了手机外壳的r p 原型，为提高r p 原型精度，主要从手机外壳台阶总面 积最少、变形特征总面积最少、过固化面积最少和零件的制作时间最短等因素来确定了 一个最优的制作方向；然后制作了手机外壳的硅橡胶模；最后在全面系统地研究了r p r t 集成制造系统各个环节的制造误差及其控制方法的基础上，考虑到每个环节误差的累积 效应，按照一个闭环模式将累积误差反馈到三维模型设计输入端进行误差补偿。 基于r p r t 集成制造系统制造手机外壳，解决了传统加工难以解决甚至不能解决的 问题，大大缩短研制周期、提高了制造柔性，对手机外壳的快速制作具有一定的指导意 义。 关键词：手机外壳：快速原型技术；闭环精度 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm o b i l ep h o n eb a s e do n s p e c i a l t y：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n n a m e ：c h e nj i n y u i n s t r u c t o r ：y a n gl a i x i a a b s t r a c t ( s i g n a t u ( s i g n a t u m o b i l ep h o n ei sam o d e mp e o p l e sl i v e sn e c e s s i t i e s i nt h e p a s t10y e a r s ，a l l m a n u f a c t u r e r so fc e l lp h o n ea r et r y i n gt oc o m b i n ew i md i f f e r e n tc e l lp h o n em o d e l i n g 、 m a t e r i a l st e c h n o l o g ya n ds t r u c t u r e i no r d e rt oi n c r e a s et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo fc e l lp h o n e i nt h em a r k e t , i tr e q u i r e sc o n t r o lt h ek e yt e c h n o l o g ym a d et h es h e l lo fc e l lp h o n e - - t h e m a n u f a c t u r i n gc o s t sa n dd e v e l o p m e n tc y c l eo ft h em o l d s b a s eo nr p r t , t h es h e l l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fc e l lp h o n ei ss i m p l e ，t h e r ei sn on e e df o rt h et r a d i t i o n a l m e c h a n i c a lp r o c e s s i n g f r o mt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fp r o d u c tt oe n t e r i n gt h em a r k e t , t h ed e v e l o p m e n tc y c l ei sg r e a t l yr e d u c e d ，w h i c hi sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fc e l lp h o n e m o d e r nm a n u f a c t u r e i nt h i sp a p e r , w es e tu pt h er p r t i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mo f t h ec e l lp h o n e p r o d u c t i o n f i r s t l y , a c c o r d i n gt oc e l lp h o n ed e s i g nr e q u i r e m e n t , t r a d i t i o n a le x p e r i e n c eo f c e l lp h o n ed e s i g na n dr a p i dp r o t o t y p i n gp r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，e s t a b l i s h e das i m p l e3 - d m o d e lo fc e l lp h o n e ；s e c o n d l yu s i n gr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ( s l a ) m a d eac e l lp h o n e r pp r o t o t y p e i no r d e rt oi m p r o v et h er pp r o t o t y p ea c c u r a c y , m a i n l yr e d u c et o t a la r e ao f l e v e l ，t o t a la r e ao fd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t o t a la r e ao ft h ec u r i n ga n dp a r t sp r o d u c t i o n t i m et ot h el e a s t , u s i n gw h i c ht om a k et h eb e s tp r o d u c t i o nd i r e c t i o n ；t h e np r o d u c e dac e l l p h o n es i l i c o nr u b b e rd i e ；a tt h el a s tb a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i cs t u d yo ft h er p r ti n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e me a c hl i n k sm a n u f a c t u r ee r r o ra n di t sc o n t r o lm e t h o d , t a k i n gi n t oa c c o u n te a c h1 i n ke r r o r sc u m u l a t i v ee f f e c t , t h ea c c u m u l a t e de r r o rw i uf e e db a c k a c c o r d i n gt oac l o s e dl o o pp a t t e r nt ot h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e ld e s i g ni n p u te n df o re t r o r c o m p e n s a t i o n b a s e do nr p r ti n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m , t h ep r o b l e m s o fs h e l l m a n u f a c t u r i n go fc e l lp h o n ei nt r a d i t i o n a lm e t h o d sa r es o l v e d , t h ed e v e l o p m e n tc y c l ei s g r e a t l yr e d u c e d ，t h em a n u f a c t u r i n gf l e x i b i l i t yi si m p r o v e d ，w h i c hp r o v i d e sc e r t a i ng u i d i n g s i g n i f i c a n c ef o rt h es h e l lr a p i dm a n u f a c t u r i n go fc e l lp h o n e k e y w o r d s ：s h e l l o fc e l lp h o n e r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y c l o s e d l o o p a c c u r a c y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乍辁玉日期：咖寥、7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：辛东金殳 指导教师签名： 弗彤 0 d 口箩年b 其7e t 1 绪论 1 1 选题的目的和意义 1 绪论 近年来，手机行业的高增长吸引了国内外的厂商，目前我国已经成为世界性的手 机生产基地。从2 0 世纪至今，手机市场环境发生了巨大的变化，一方面表现为消费者 需求日益主体化、个性化和多样化。另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的 激烈竞争。面对市场，不但要迅速的设计出符合人们消费需求的产品，而且还必须快 速的生产出来，抢占市场。手机作为现代人们生活的必须品，在过去十几年的发展历 程中，手机内部功能无非是从1 g 到3 g 的发展，而从各个手机公司的成百上千的手机 品种中，我们可以看出各个手机公司其实都是在进行着手机外观造型、材料工艺以及 结构的不同的组合尝试。方向发展。为了提高手机在市场上的竞争力，客观上要求对 制造手机外壳的关键工艺装备一模具的开发周期和制造成本进行控制【l 】。 采用模具生产手机外壳，具有生产效率高、质量好、成本低、节省能源和原材料 等一系列优点，是当代手机外壳生产的重要手段。现代工业品的发展和技术水平的提 高，在很大程度上取决于模具工业的发展水平。但随着科学技术的迅猛发展，随着社 会的进步与经济的发展，市场竞争越来越强烈，对模具的要求也越来越高。这些传统 的制模方法，由于其效率低、成本高、周期长而不能满足要求，特别是对一些形状复杂 材料特殊的模具制造就非常困难，有时甚至无法制造闭。 快速原型制造( r a p i d p r o t o t y p i n g ，简称r p ) 技术它将现代计算机技术、激光加工技 术及新材料技术集于一体，其原理是根据对三维c a d 模型进行分层处理，得到一系 列的二维截面轮廓信息后再用激光束或其它方法固化、切割或烧结材料成形，得到一 层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。r p 技术摒弃了传统机械加工的材料“去除 加工法，而采用全新的材料“增长一加工法，将复杂的三维加工分解成简单的二维加 工的组合【3 】。目前，这一新技术在工业发达国家中己被应用于航空航天、汽车制造、 医疗器械以及家电等行业中，汽车制造业中应用所占的比例最大，约占2 5 左右【4 】【5 】。 随着近年来i 冲技术迅速发展，出现了一个新领域，快速模具制造( r a p i d t o o l i n g ， 简称r t ) 。r t 采用r p 技术直接或间接制造模具，只需传统加工方法的1 0 3 0 i 时和 2 0 3 5 的成本，既大大提高了新产品的研制速度，又节省了新产品试制和模具制造的 费用，因此，该技术一问世便得到人们的高度重视，成为企业提高竞争力的有力手段 【6 】【7 】【钔。 随着计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，使快速原型及快速制模技术 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 西安科技大学硕士学位论文 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 9 1 。 本文根据快速原型和快速模具制造技术先进的制造工艺特点，为满足目前手机外 壳生产需求量大，制造工艺复杂，成形周期长等缺点【1 0 1 ，研究了快速原型和快速模具 制造技术制造手机壳体的工艺过程。 1 2 国内外研究现状 从1 9 7 3 年摩托罗拉系统部的总经理马丁库泊发明了移动电话到如今也不过几十 年。但在这几十年里，尤其在近几年里，手机从g s m c d m a 制式的选择多样性，从 单一颜色屏幕到2 6 万色屏幕，从单一通话功能到拍照、听音乐、玩游戏样样俱有，甚 至到3 g 网络实现视频、定位、看电视等。手机已不仅仅是一个单纯的通话工具，已 成为人们从事日常沟通、娱乐、理财等活动的不可或缺的工具。 早期的模拟手机大都体积庞大、重量沉，以至于第一台摩托罗拉进入中国时，人 们称之为“大砖头 。按照“形式追随功能 的原则，其形态也随之发生变化。于是手 机的形态、体积就由原来的大砖头变得越来越小、越来越轻巧；造型也越来越丰富， 由早期的单一矩形朝着椭圆形、三角形等多样化形态转变；手机外壳色彩也由黑色、 灰色增加到金、银、红、黄、蓝、绿等五颜六色；在使用方式上也由翻盖式增加到推 拉式、折叠式、旋转式、滑盖式等。随着技术的日臻完善给手机设计注入了新鲜的活 力并带来了打破传统的前卫概念，手机的体积、重量都朝着轻、薄、小巧方向发展， 功能也越来越丰富。 随着数字化技术的深入发展，可穿戴的手机、手表手机、整合在眼镜中的概念手 机等的出现，对手机的造型发展又是一次革命性的突破。现代手机的造型设计可以说 已经完全打破了传统的造型模式，朝着时尚化、符号化的方向发展。而且手机设计不 再只集中在手机功能的改进、造型的变化上，而更多的是有针对性地对设计对象进行 细分，因为消费者是不同年龄、性别、层次的，所以市场所提供的手机产品也应该是 有所不同的。由此可知，手机也应该有性别、层次之分，市场上已经出现了典型的男 性手机、女性手机，也出现了运动手机。 手机的造型日新月异、不断更新，新产品生命周期越来越短，也就对产品的成型 和模具提出了更高、更苛刻的要求。我国早期生产的手机外壳，模具只能全部从国外 进口，之后采用由国外设计图纸国内制造的模式，经过一段时间的生产，现在已经可 以自我设计制造部分模具。但是，新的手机外壳结构模具，以及外壳二次加工新工艺， 仍然需要从国外引进消化。 从目前的制造技术来看，手机塑料外壳的成型方法主要是注射成型，手机注射模 2 1 绪论 成为当今注射模制造行业最为复杂的模具之一，是手机结构件制造的难点，引起了相 关尖端工程技术人员的高度重视。众多工厂的手机模具设计制造证明，面盖模具、镜 片模具又是手机塑件制造中的关键模具。 最近流行金属壳体，金属手机外壳的消费市场前景广阔。同传统的塑料手机外壳 相比，金属手机外壳具有很多优点，这得益于它的尊贵典雅以及优良的物理性能。但 是，金属手机外壳的生产与同类的塑料件相比，则难度较大，因为前者的外观质量要 求很高，而且对尺寸的要求较为严格，而在实际生产中，由于金属件在制造过程中的 回弹、划痕等很多因素的影响，这些要求很难保征。所以，如何在实际生产中得到外 观质量高，成型质量好的产品，成为很多制造商追求的目标。 手机外壳是消费者最能直接感受到的信息，早期的手机外壳主要用金属框，如爱 立信早期产品3 8 8 ，不但耐摔，抗震性也大为增加，而且使用户至今怀念那种厚重的 沉甸甸的感觉。随着手机的发展，轻巧成为人们的挚爱，于是新的外壳材料应运而生， a b s 合成塑料以其很好的韧性( 抗震性) 、密封性，很高的机械强度，耐化学腐蚀，拿 在手上很有质感的特点受到人们的青睐。 而后，诺基亚将金属漆应用在8 8 1 0 上，采用银色镀铬外壳，在市场上又掀起了金 属流行色的热潮，而后新材料的应用似乎停顿了一段时间。但是随着s o n y 将u v 涂 层漆用在手机的外壳上，使用户在使用手机的时候感受到不留指纹，光亮如新的美好 感觉。 之后西门子6 6 8 8 也披上了“银装”。阿尔卡特o t 5 1 1 采用亮眼的铝金属为外壳， 更成为众多手机制造商为金属质感趋之若骛的榜样。摩托罗拉v 6 0 也大胆采用镀铝全 金属质感的外壳设计，体现出作为高档手机所拥有的庄重典雅。随之而来的钦金属、 镁金属等材料让手机变得越来越华丽。如图1 1 图1 1 金属外壳 在手机外观材料上，中国也作出了自己的贡献，在世界上率先研制出在手机上使 用的纳米级“电磁屏蔽材料”。t c l 率先将高科技材料纳米材料应用在手机的显示屏 保护透明盖上面，为那些因为手机透明盖磨损而痛心的用户看到了问题解决的方向。 3 西安科技大学硕士学位论文 据t c l 称，手机显示屏成功运用当前最先进的纳米材料技术，显示屏表面达到极佳的 硬度，耐磨抗裂，即使用刀子在屏幕上任意割划，也不会留下痕迹，更不用说一般的 普通磨损了。出于对环保的世界大潮流要求的考虑，绿色材料的应用将成为未来手机 材料的主流。目前，位于英国伦敦的布鲁尼尔大学的科学家们已经研制出一款能够在 废弃不用之后自动分解的绿色手机。可以预见，在手机未来的发展之路上，新材料的 应用将是一把利刃，谁掌握了新材料，谁就将引领手机的潮流。可以预见，在手机未 来的发展之路上，新材料的应用将是一把利刃，谁掌握了新材料，谁就将引领手机的 潮流【1 1 1 。 最近东芝还推出一款精致陶瓷手机，将手机制造工艺提升到又一个境界。 手机外壳是一个技术门槛相当高的领域，我国的手机制造业起步晚，起点低，虽 然是世界上最大的塑料制品地区，但是缺乏生产符合中等标准的手机外壳厂商【1 2 1 。 未来手机外壳的发展方向有两个，一个是塑料手机表面金属化成为中档手机主流， 另外一个就是金属手机外壳将成为高档手机的主流。金属手机外壳相对塑料外壳有着 众多优势，优势是金属手机外壳可以更轻更薄，因为金属的轻度远比塑料要高。轻薄 正是目前手机的主流趋势，其次是散热好，目前手机的功耗是越来越高，某些手机采 用低档的0 1 8 微米工艺的芯片，这样的手机在通话时如果采用塑料外壳是完全可能烫 手的，而金属外壳的散热效果要好得多。再次是电磁辐射，金属外壳的电磁辐射屏蔽 要比塑料外壳要好得多，辐射越少，对人的健康是越有利的。再次就是环保，金属外 壳是可以回收利用的，而塑料外壳则无法回收利用，自然状态下要数十年才能完全分 解，环境污染大。不过金属外壳开模周期长，工序繁多，良率低，这就决定金属外壳 适用于那些品种少、出货量大的高端手机和智能手机i l 引。 1 3 主要研究内容 利用快速原型和快速模具制造技术生产手机外壳，能够更快，更好的适应手机市 场日新月异的变化。本文主要从手机外壳的三维建模、手机外壳r p 原型制作、手机 外壳硅橡胶模制作和基于r p r t 技术的手机外壳制作及其精度控制等方面进行了研 究和分析。 本文首先根据快速成型工艺的特点，结合手机结构特点，建立了简单的手机三维 模型；其次在基于快速成型工艺s l a 做出了手机外壳的r p 原型，其中主要从s t l 文 件转换精度、阶梯效应对原型精度的影响及其控制、材料性能对原型精度影响的原因 和表现、过固化效应对原型精度的影响及其控制措施、快速原型的后处理误差及其控 制措施等方面进行了研究和分析；然后是手机外壳的快速硅橡胶模制作，在其中主要 从硅胶的确定、工艺流程和与之相关的技术要领，在技术要领里面，主要详细的分析 了型框的确定准则，分型面的确定原则，浇道位置和方向的确定原则等；最后对整个 4 i 绪论 快速原型快速制模集成制造系统工艺过程进行了闭环精度控制研究。整个工艺过程如 1 2 图： 图1 2 手机外壳制造流程 5 西安科技大学硕士学位论文 2 手机外壳传统制造方法 本章主要从手机外壳所用材料及其制造工艺和传统手机外壳制造方法及特点两个 方面叙述了传统手机制造方法。可以看出利用传统工艺制造手机外壳成型工艺复杂、 周期长，很难适应市场需求。 2 1 传统手机外壳主要制造材料及其成型方法 手机除了在外观造型上以及齐全强大的功能能够吸引消费者眼球外，新颖独特的 材料和独特的工艺处理同样是引起消费者购买欲望的重要因素。在选择材料时首先要 考量材料的使用性能，比如强度、耐磨性等物理量来作评定，还要靠虑其加工工艺性 能是否可以满足使用的需要。 2 1 1 塑料材料成型方法及特点 手机壳体是整个手机的支承骨架，对电子元器件起到定位及固定和承载其他所有非 壳体零部件。壳体通常由工程塑料注塑成型。 ( 1 ) a b s 由丙烯睛、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。a b s 的特性主要取决于三种单体 的比率及分子结构，这在产品设计上具有较大的灵活性，并且由此产生了市场上多种 不同品质的a b s 材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性，例如从中等到高等的 抗冲击性，从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。 a b s 材料具有超强的易加工性，外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很 高的抗冲击强度1 1 4 1 。 高流动性，便宜，适用于对强度要求不太高的部件( 不直接受到冲击，不承受可靠 性测试中结构耐久性测试的部件) ，如手机内部的支撑架等。还有就是普遍用在要电镀 的部件上( 如按钮，侧键，导航键，电镀装饰件等) 。目前常用奇美p a 7 2 7 ，p a - 7 5 7 等。 ( 2 ) p c ( 聚碳酸脂) p c 是一种非晶体工程材料，具有特别好的抗击强度、热稳定性、光泽度、抑制细 菌特性、阻燃特性以及抗污染性，p c 的缺口冲击强度非常高，并且收缩率很低。 p c 有良好的机械性，但流动性较差，注射过程较困难。因此，如果塑件要求有较 高的抗冲击性，那么选低流动率的p c 材料；反之，可以使用高流动率的p c 材料，这 样可以优化注射过程【l5 1 。避免一味减少强度风险，什么部件都用p c 料而导致成型困 难和成本增加。 高强度、贵、流动性不好。适用于对强度要求较高的外壳，如翻盖手机中与转轴 6 2 手机外壳传统制造方法 配合的两个壳体，不带标准滑轨模块的滑盖机中有滑轨和滑道的两个壳体等，目前指 定必须用p c 材料。较常用g el e x a ne x l l 4 1 4 和s a m s u n gh f l 0 2 3 1 m 。 韩国是最早采用纯p c 做手机外壳材料的，近年来，各大手机厂商采用p c 做手机 外壳的比例正在逐渐上升，初步估计目前手机外壳采用p c 材料的比例己经超过5 0 。 ( 3 ) p c + a b s 综合了p c 和a b s 的性能，具有a b s 的易加工性和p c 的优良机械特性和热稳定 性( 二者的比率将影响p c + a b s 材料的热稳定性) 。流动性好、强度不错、价格适中， 但容易发生熔体破裂。适用于绝大多数的手机外壳，只要结构设计比较优化，强度是 有保障的。较常用g ec y c o l o yc 1 2 0 0 h f 。 日本手机主要采用p c + a b s ，甚至采用a b s 做手机外壳。 表2 1 是塑料主要加工方法及成型特点【1 6 1 【1 7 1 。 2 1 2 金属材料成型方法及特点 手机外壳材常用金属材料主要有铝合金和镁合金。至于镁合金，现在的手机框架 有逐渐取代塑料材质的现象，摩托罗拉采用镁合金框架比重预计2 0 0 6 年可升至5 0 ， 诺基亚预估2 0 0 6 年也成长至15 到2 0 ，三星2 0 0 6 年也有近2 0 采用，因此金属外 壳也是经来手机外壳发展的一个方向。 表2 2 是金属主要加工方法及成型特点【1 6 】【1 7 1 。 表2 1 塑料主要加工方法 加工成型方式成型特点 将热塑或热固性塑料在其热料桶中均匀塑化，然后由柱塞或移动螺杆推到闭合模腔 注塑成型 中成型。适用于大批量生产、产品尺寸精度高。质量稳定，但是价格昂贵。 在挤出机中通过加热、加压而是物料以流动状态连续通过挤出模成型的方法。小型、 挤出成型 形状简单的产品用的挤出模具价格不高，但形状复杂的成品用的挤出模具费用高。 先将热固性树脂预热后，置于开发的模具内，闭模后施以热及压力，直至材料硬化 压制成型 为止。生产效率低，且都是形状简单的产品。 将挤出的熔融的热塑性树脂坯料，加入模具，然后向坯料内吹入空气，熔融的坯料 吹塑成型 在空气压力的作用下膨胀向模具型腔壁内贴合，最后冷却固化成为所需形状的产品。 主要用来生产瓶状的中空薄壁产品，产品材料成本低。 将热塑性树脂的片材加热成型，使其成为所需形状的产品的方法，包括真空成型、 热成型 压空成型、塞头成型及冲压成型法等，适用于大小批量生产，不适合成型精度要求 高的产品。 将热塑性塑料通过一系列加热的压辊，使其在挤压和展延的作用下连续成为薄壁或 压延成型 片材的一种成型方法。 滚塑成型将聚乙烯等粉状材料，适量的密封在用薄钢板制造的模具中，一边是模具绕双轴旋 7 西安科技大学硕士学位论文 转，一边从模具外对树脂进行加热，通过加热使模具内的粉状材料逐渐熔融形成一 定的厚度，然后进行冷却固化成为所需的产品。可用较小的设备投资生产大型的中 空产品。但是效率低，只适用于小量及简单的产品。 将加有固化剂或其它助剂的液态树脂混合倒入成型模具中，在常温或者加热的情况 浇注成型 下使其逐渐固化而成为具有一定形状的产品。这种工艺简单、成本低，可以生产大 型产品，适用于流动性大而有收缩性的塑料。 先将塑料颗粒预发泡，经过一定的加热成型后，把它填入铝合金做的模具中整体加 发泡成型 热成型，在熔接产品时表面会留下接痕，这是发泡型的一个缺陷。 表2 2 金属主要加工方法 加工成型方式 成型特点 用砂型剂制造铸型的方法，应用广泛，不受铸件的形状、大小、复杂程度及金属合 砂型铸造 金种类的限制，工艺设备简单，成本低。 熔模铸造 用易熔材料制成模型，在模型表面涂耐火涂料后硬化，反复多次，并将模型熔出， 铸造 焙烧硬壳，即可得到无分型面的铸型，焙烧铸造。 加工 金属型铸造将液态金属浇入金属铸型，从而获得铸件的方法。 在压铸机上用压射活塞以较高的压力或速度将压室内的金属液压射到模腔内，并在 压力铸造 压力作用下使金属液迅速凝固成铸件的制造方法。 将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成型 离心铸造 的铸造方法。广泛应用于铸造铸铁管、活动轴承。 因为锻造是在液态下进行的，通常按是否用模具分为自由锻和模锻，按手工方法分 锻造 为手工锻造和机械锻造。 轧制 将金属靠摩擦力的作用，连续通过轧制机上两个相对回转轧辊之间的空隙，进行压 塑性 延变形成为型材的方法。 将金属坯料置于一封闭的挤压模内，有强大的挤压力将金属从模孔中挤出成型，从 加工挤压 而获得符合模孔截面的零件加工方法。挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件。 用拉力使大截面的金属坯料强行通过一定形状的拉拔模的模孔，以获得所需截面形 拉拔 状和尺寸的小截面毛坯或制品的工艺。 冲压 金属板在冲压模之间受压产生分离或产生塑性变形的方法。 熔焊 焊接 压焊 加工钎焊 用于金属的连接，其中焊接可分为气焊、电弧焊、真空电子束焊接等。 陈水扁焊 分为钳工和机械加工，是使零件的表面得到更高的精度和表面光洁度所不可缺少的 切削加工 加工方法。 8 2 手机外壳传统制造方法 2 2 传统手机外壳模具设计工艺流程 模具c a d 技术给模具的设计和制造提供了一个高效、经济而且快速的方法，大 幅度地提高了模具的质量，缩短了模具的设计和制造周期，降低了模具成本。目前手 机设计主要采用c a d 系统设计方法。模具c a d 系统主要是由计算机和一些外部设备 以及相应的软件组成。c a d 技术已经广泛应用于各种模具设计，它以计算机软件为工 具，包括资料查询、设计构思、模型建立、分析计算、自动绘图、零件成型过程、充 模过程模拟、产品的整体造型、塑料零件设计、零件的装配、零件的缩水处理、分型 面的产生、浇口和浇道设计、注射模拟、模具的分型、模架的选择设计、二维三维图 的出图这一系列的过程，而且包括对制造中的物流和信息进行控制、管理和监督以及 相对于物流系统是“离线”工作的工艺准备、生产作业计划、数控编程等。它的流程【1 8 】 如图2 1 所示。 图2 1c a d 系统设计流程 采用c a d 系统设计手机模具，是一个复杂庞大的体系，它对设计人员的要求极 高，而且后续的模具制造要用到传统的机械加工方法，如数控铣削加工、成形磨削、 电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。 由于这些工艺复杂、加工周期长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。 2 3 本章小结 本章从手机外壳主要制造用材料及其成型方法和传统手机外壳制造工艺流程得 9 西安科技大学硕士学位论文 出，采用模具制造手机外壳，具有生产效率高、质量好、成本低、节省能源和原材料 等一系列优点，是当代工业生产的重要手段和工艺发展的方向。现代工业品的发展和 技术水平的提高，在很大程度上取决于模具工业的发展水平。但随着科学技术的迅猛 发发展，随着社会的进步与经济的发展，市场竞争越来越强烈，对模具的要求也越来 越高。这些传统的方法，由于其效率低，成本高，周期长而不能满足要求，特别是对 一些形状复杂、材料特殊的模具，制造就非常困难，有时甚至无法制造。不仅如次，手 机是一个时尚的标志，在追求个性，追求时尚的今天，手机制造要适应市场需求，就 得高速开发、高效生产。 1 0 3 快速成型与快速模具制造技术 3 快速成型与快速模具制造技术 快速原型与快速制模技术的结合是现代模具制造的一个里程碑。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。 3 1 快速成型技术 快速成型制造( 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 技术是将计算机技术、c a d 、机械工程、 数控技术、检测技术、激光技术和材料科学等集合为一体的高新技术，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。 3 1 1 快速成型技术的原理及特点【1 9 】【2 0 】【2 1 】【2 2 】 快速成形技术( 简称l i p ) 是由c a d 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三 维物实体的技术总称，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型( 数 字模型、c a d 模型) ，然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列 有序的单元，通常在z 向将其按一定厚度进行离散( 习惯称为分层) ，把原来的三 维c a d 模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自 动生成数控代码；最后由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一 个三维物理实体。 i ：堆积过程成形机实现 i - 一一：一一 图3 1 快速成型原理 西安科技大学硕士学位论文 为了对r p 的基本工作原理有所了解，此处仅以激光实体平版印刷术为例来说 明。设计人员通过c a d 系统，将所设计的零件的三维实体造型数据，经过以太网， 传送给控制设备用的计算机。这台控制计算机能将送来的三维实体图形，像如今的 层析式x 光的原理一样，沿z 轴切出一系列极薄的横截面层：同时它还控制着万向反 射镜，使紫外激光射线束经万向反射镜而能按薄层横截面的形状。在一槽中盛有光 敏树脂溶液的表面进行扫描。凡溶液表面经紫外激光射线束扫描照射过的地方便立 即固化，从而生成与该横截面层形状相一致的固化薄片。一般是从三维实体最底部 的横截面层作起。这时生成的是第一个固化薄片，它是固化在支撑构件上。接着升 降台便下降一个薄片厚度，使第一个固化薄片立即被光敏树脂溶液所淹没。然后重 复上述紫外激光射线束扫描和固化的过程，如此逐层重复进行，直至获得一层又一 层、彼此牢固粘结的固化薄片所构成的实体样件为止。这时样件还沉浸在溶液液面 下。为要取出样件，必须将升降台向上升起，使样件完全脱离液面。取下样件后， 首先应将样件表面粘附的溶液冲洗干净，再将样件放入紫外线烘干设备中进行最后 的烘干和固化，经过如此处理后的样件才称为成品。 其制造过程的主要特点是： ( 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 u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 过程，实现了c a d c a m 的无 缝连接。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 制造费用低。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1 3 l 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。 3 1 2 典型的快速成型技术工艺【1 9 】【2 0 1 2 1 】【2 1 】 快速成形技术按原型的成形方式分为：立体印届u ( s l a ) 、选择性激光烧结( s l s ) 、 叠层实体制造( l o m ) 、融积成形( f d m ) 、三维印届u ( 3 d p ) 等。 s l a 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。s l a 工作原理图如图3 2 所示。 1 2 3 快速成型与快速模具制造技术 图3 2 立体光固化法 s l a 方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟 的方法。s l a 工艺成形的零件精度较高，多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成 形性能，使该工艺的加工精度能达到0 1 m m 。但这种方法也有自身的局限性，比如 需要支撑、树脂收缩导致精度下降、有的光固化树脂有一定的毒性等。此外，材料 在固化过程中伴随有收缩，可能导致零件变形。 叠层实体制造( l o m ) ，l o m 其主要特点是根据c a d 模型各层切片的平面几何 信息对箔材( 通常为纸) 进行分层实体切割。如图3 2 所示的装置由供料轴和收料轴不 断传送箔材。工作时激光器发出的c 0 2 激光束进行x - y 切割运动，将铺在升降台上 的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓。随后升降台下降一层高度，箔材供料轴 和收料轴又传送新的一层箔材，铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘在已成型的箔材 上，激光束再次进行切割运动切出第二层平面轮廓，如此重复直至整个三维零件制 作完成。 图3 3 叠层法 l o m 工艺只须在箔材或者纸上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。 因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工件外框与截面轮廓之间的多 1 3 西安科技大学硕士学位论文 余材料在加工中起到了支撑作用，所以l o m 工艺无需加支撑。 f d m 其成形材料可用铸造石蜡、尼龙( 聚酯塑料) 、a b s 塑料及医用m a b s 塑料， 可实现塑料零件无注塑成形制造。f d m 融积成形系统采用专用喷头，成形材料以丝 状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头直接由计算机控制沿零件截面轮廓和填充 轨迹运动，同时将熔化的材料挤出沉积成实体零件的一超薄层，材料迅速凝固，并 与周围的材料凝结。整个模样从基座开始，由下而上逐层堆积生成，如图3 4 所示。 图3 4 堆积法 f d m 工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低，无毒无味和运行稳 定可靠，适合办公室环境使用，符合环保要求。用石蜡成形的零件原型，可以直接 用于熔模铸造。用a b s 制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方 面得到广泛应用。由于以f d m 工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优 点，该类工艺发展非常迅速。 3 1 3 快速原型技术的应用1 1 9 1 2 0 】【2 1 】【2 2 】 虽然快速成型技术问世时间不长，但由于它对制造业带来的巨大效益，使得这 一技术的应用日益广泛。当前快速原型技术已广泛应用于航天航空、汽车、机械、 电子、医学、工艺品等许多领域，取得了很大的成果，其应用主要有以下几个方面： 1 新产品开发 r p 技术最初是应用于新产品开发设计中。原型在新产品开发过程中具有无可代 替的作用。设计者可以很快发现设计中的不足，分析设计的可行性，向评审机构表 达其设计思想，向用户很直观地介绍新产品的特点。在发现错误后，通过r p 技术 可以很快、很方便地生成和更改原型。因此，即技术在加快新产品开发、提高开发 质量、降低新产品开发成本等方面具有其他加工方式不可替代的作用。 2 快速零件和快速模具制造 ( 1 ) 直接成形功能零件 对于材料为蜡、树脂、a b s 的零件，用快速原型就可以直接制造而对于金属 零件，快速原型技术一直在朝这方面努力，并且，目前己成功地利用s d m 工艺制造 1 4 3 快速成型与快速模具制造技术 出不锈纲零件，但其工艺复杂，成本较高。 ( 2 ) 采用转换技术形成功能零件 利用r p 技术形成功能零件的方法是快速工具( r t - r a p i dt o o l i n g ) 技术这是目前利用 r p 技术制造金属零件和模具的主要方法。 ( 3 ) 快速原型与精密铸造的结合( 快速精铸) 快速原型的特点在于制造实体模型快，并且与零件的复杂程度无关。但是，原型技 术生产的制品与现实中要求的产品性能相差悬殊太大。因此快速原型技术与精密铸 造技术相结合，既能发挥快速原型的优势又能满足现实生活的要求。 3 医学上的应用 根据c t 的数据，应用r p 技术可以快速地制造出人体的骨骼( 如牙齿等) 和软组 织( 如肾等) 模型，并且不同部位可以采用不同颜色的材料成形。这些人体器官模型 对于帮助医生进行病情分析和确定治疗方案极为有利，受到医学界的极大重视。 在康复工程上，采用r p 制造技术制造人体假肢具有最快的成形速度，并且假肢 和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。 3 2 快速模具制造技术 快速制模( r a p i dt o o l i n g ，简称r t ) 技术，就是将传统的制模方法( 如数控加工、 铸造、金属喷涂等) 与快速成型制造技术相结合，使得模具制造周期短、成本低、综 合经济效益好，在模具的精度和寿命方面能满足生产使用要求的模具制造技术，从 模具的概念设计到出模，快速制模一般是传统模具加工方法所需时间的1 3 左右， 使模具制造在提高质量、缩短研制周期、提高制造柔性等方面取得了明显的效果。 3 2 1 快速模具制造技术概述 在快速原型技术领域中，目前发展最迅速、产值增长最明显的是快速模r t 技术。 2 0 0 0 年5 月，在法国巴黎举行的全球快速原型协会联盟( g a r p a ) 最高峰会议上，这 一点得到了普遍的认同。传统模具制造的方法很多，如数控铣削加工、成形磨削、 电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀 等。由于这些工艺复杂、加工周期长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。 因此，应用快速原型技术制造快速模具，在最终生产模具开模之前进行新产品试制 与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，有效地缩短开发时间和节约 开发费用，使快速模具技术具有很好的发展条件。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) 因其工艺粗糙、精度低、寿命短，很难完全满足用 户的要求。由于市场需求旺盛，许多公司研制出快速模具新工艺、新设备，并且取 得了良好的经济效益。由于这些技术中高新技术