快速成型与快速制造在模具加工中的应用.doc

快速成型与快速制造在模具加工中的应用胡联军 戴春祥上海大学快速制造工程中心1模具的发展概况与发展方向模具是现代工业生产中使用极为广泛的工艺装备，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1。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。模具生产技术水平的高低，己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和产品的开发能力2。2传统模具发展的瓶颈传统的模具制造要用到车、铣、刨、钻、磨、电火花等加工方法，才能得到所需的模具形状和尺寸。要设计和制造出一副合格的模具，往往需要经过由设计、加工到试模的多次反复，因此模具制作成本高、周期长，而且精度不易保证，有时甚至造成模具的报废。以母模或样件为基础制造各种模具现有很多方法，其共同特点是速度快、成本低。但是母模的获取是这些技术的“瓶颈”，特别是复杂形状的母模，用传统的机加工方法制造母模不但速度慢而且受到加工机械本身的限制。如果用现成产品做母模，这样只能仿造而不是创新，同时现成的母模难以补偿制造过程中的各种尺寸收缩。20世纪80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制造技术。 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。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，己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一3。3. 现代模具工业的发展方向现代工业的发展，对模具技术的要求越来越高。综观现代模具技术，正向如下的方向发展4。1)高精度。多工位级进模、精冲模、精密塑料模的精度均在0.0030.005mm，甚至更高。2)寿命长。现代模具的寿命比传统模具的寿命高出510倍。而传统模具的寿命一般只有它的1/10-1/50。3)高生产率。由于采用多工位的级进模、多能模、多腔注塑模和层叠注塑模等先进模具，可以极大地提高生产率，从而带来显著的经济效益。4)结构复杂。随着社会需求的多样化和个性化以及许多新材料、新工艺的广泛应用，对现代模具的结构形式和型腔要求也日益复杂。若采用传统的模具制造方法，不仅成本高，生产率低，而且很难保证模具的质量要求。4.快速成形技术及其在模具工业中的应用在当前激烈竞争的市场经济中，产品的更新换代日益加快，小批量、多品种是总的发展趋势，新产品的样件试制也越来越多，传统铸造模具的现状已很难适应当前的形势。因此，研制和开发新的模具设计、制造技术势在必行，快速成型技术的出现，为使用各种制模技术注入了新的活力，很好地解决了复杂形状母模获取的“瓶颈”问题。快速模具制造RT (Rapid Tooling)技术正是在这种形势下被开发出来的，并在现代模具的生产中发挥了重要作用。快速成形技术(Rapid Prototyping，简称RP)是20世纪80年代末期迅速发展起来的一种先进制造技术。它是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服驱动、激光和材料科学等先进技术集于一体的新技术。其突出特点就是不需要任何工装夹具便能根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品 5 。其基本构思是：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CAD三维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，逐层地固化液体(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)6。快速成型的过程包括：前处理(三维模型的构造、三维模型的近似处理、三维模型的切片处理)、分层叠加成型(截面轮廓的制造与截面轮廓的叠合)和后处理(表面处理等)。快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法(即：部分去除大于工件的毛坯上的材料，而得到工件)，采用全新的“增长”加工法(即：用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件)，将复杂的三维加工分解成简单二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法30%50%的工时和20%35%的成本7，就能直接制造产品样品或模具。快速成型技术的特点如下:（1）成功地解决了三维造型“看得见，摸不着”的问题，其最大的特点是能以最快的速度将设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型或直接制造零件，使设计模型从“看得见”(显示器)到“摸得着”(实物)，从而可以对产品设计进行快速评估、测试及功能试验，以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争的能力。（2）成形速度快。从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，速度比传统的成形方法快得多，快速成形技术可在产品开发过程中提供设计验证与功能验证，检验产品可制造性、可装配性，通过各种转换技术，可将RP模型快速转换成各种模具，大幅度地缩短产品更新换代的周期。（3）设计制造一体化。由于快速成型技术采用了离散堆积的加工工艺，使CAD和CAM很好地结合在一起，真正实现了设计制造一体化，。（4）高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可。产品的造价几乎与产品批量、产品的复杂性无关。（5）自由成型制造。自由的含义有两个：一是指可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成形，可以大大缩短新产品的试制时间；二是指不受零件形状复杂程度限制。（6）制造费用低。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/51/10，而成本仅为其1/3 1/5，模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著，而以特定紫外光源取代激光器研制成的紫外光快速成型机与其它光固化成型机相比，它在保证一定精度和零件制作速度的基础上，具有低设备造价和低运行成本的突出特点，具有最优的性能价格比。（7）材料的广泛性。快速成型技术可以制造树脂类、塑料原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型。（8）技术的高度集成。即技术是计算机、数据、激光、材料和机械的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器件和控制技术高度发展的今天才可能诞生快速成型技术，因此快速成型技术带有鲜明的时代特征。目前，快速成型技术工艺有数十种，其中较成熟和典型的工艺有：光固化成形(Stereo Lithography Apparatus，简称SLA)；分层实体制造(Lamina Object Manufacturing，简称LOM)；选择性激光烧结成形(Selected Laser Sintering,称SLS)；熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)；粉末材料选择性粘结(Three Dimensional Printing，简称3DP)。模具的结构与产品的形状特征有密切的对应关系，产品设计、模具设计和制造过程中的各种信息相互联系并相互传递，基于RPM的快速模具制造技术可将这些过程组合为一体，实现信息共享，提高信息传递效率，及时对产品和模具结构进行优化设计，从而为并行工程的应用创造了必要条件8。5快速制模技术的前景应用快速成型方法快速制作工具或模具的技术称为快速制模具技术，目前它己成为快速成型技术的一个新的研究热点。由于传统模具制作过程复杂、耗时长、费用高，往往成为设计和制造的瓶颈，因此应用快速成型技术快速经济制造模具成为该技术发展的主要推动力之一。而用快速成型技术直接制造金属零件或模具更是RP领域研究人员的目标，目前也己取得一定的成果，但尚不能应用于实践。因此需要金属零件或进行批量生产时，还需要将快速成型技术与各种转换技术相结合，间接制造金属零件或模具。参考文献1 机械电子工业部，模具结构与设计基础.北京，机械工业出版社，1993.2 柳建安，邝艺，模具快速成形技术的发展.农业装备技术2002, (5): 38-39.3 张连洪，崔国起，钟宏辉等.基于快速原型制造的快速模具技术.机械设计.1999（9）: 36-38.4 杜志俊.现代模具技术综述，机械工程师.1999, (6):3-55 Prof.J.P.Kryth. Materiaal Increase Manufacturing by Rapid Prototyping Techniques. Annals of the CIRP.1991, 40(2): 603-6146 朱磊，孙进，乔黎.快速成形技术在新产品开发中的应用.模具技术，2000, (5) : 55-58.