快速成形技术在快速模具制造中的应用

快速成形技术在快速模具制造中的应用摘要：快速成形技术是利用离散/堆积原理来制造零件的。其工作过程是通过离散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积将材料 叠加 起来形成三维实体。关键词：快速成形；快速模具制造；应用11 引言 快速成形技术(RPM)是利用离散/堆积原理 (如凝固、胶接、焊接、烧结、聚合或其他化学反应)来制造零件的。其工作过程是通过离散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积将材料 叠加 起来形成三维实体。首先在 CAD 造型系统中获得一个三维 CAD 模型或通过测量仪器测取零件实体的形状和尺寸，将其转化成 CAD 模型;其次将 CAD 模型进行数据处理，沿某一方向 (通常为 Z 向)将 CAD 模型离散化，进行平面切片分层。然后将离散得到的分层信息与成形工艺参数信息相结合，转换为控制成形机工作的数控代码，通过专用的 CAM系统控制材料有规律地、精确地叠加起来 (堆积)而成一个三维实体制件。可见，从成形学角度来看，快速成形技术是采用的 堆积成形 方式。从数学角度来看，快速成形技术的工作过程也可以看作是一个微分与积分的过程。从材料形态变化角度来看，快速成形技术是一个材料物质分解与组合的过程。所以快速成形技术是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控、激光技术和材料科学为一体的新技术。与传统的制造方法有着本质的区别。由于 RPM 技术在制造产品过程中不会产生废弃物 (如切屑冷却润滑液等)造成环境污染，所以，也是一种绿色制造技术。由于 RPM 采用将三维形体转化为二维平面分层制造的原理，对物体构成复杂性 RPM 为技术支撑的快速模具制造 RT 也正是为了缩短新产品开发周期，早日向市场推出适销对路的、按客户意图定制的多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术。由于产品开发与制造技术的进步，以及不断追求新颖、奇特、多变的市场消费导向，使得产品 (尤其是消费品)的寿命周期越来越短已成为不争的事实。所以，工业发达国家已将 RPM/RT 作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一，我国也已开始了快速制造业的研究与开发应用工作。 22 典型快速成形工艺方法介绍 设计者将零件的物理模型通过三维 CAD 造型，或三维数字化转化为零件的三维设计 CAD 模型，然后再对模型数据进行处理，用分层软件对其进行分层切片，沿某一方向进行平面 分层 离散化，得到各层截面轮廓。据此，快速成形系统的成形按选择固化方式 (立体光刻法、粉末烧结法、薄层堆积法、熔融沉积和三维打印)进行堆积成形。目前各种 RPM 方法有许多种，但较常用的主要有 SLA,LOM,SLS,FDM,TDP 等原理的快速造型系统。 2.1 立体光刻技术 SLA 的工作原理如图 1 所示，是以液态光敏树脂 (例如一种特殊的环氧树脂)为造型材料，采用紫外激光器为能源:一种是氦一福激光器 (波长 325nm，功率 1550MW)，另一种是氨离子激光器(波长 351365nm，功率 100500MW )，激光束光斑大小为 0.053mm。由 CAD 设计出三维模型后将模型进行水平切片，分成为成千上万个薄层，生成分层工艺信息，按计算机所确定的轨迹，控制激光束的扫描轨迹，使被扫描区域内的液态光敏树脂固化，形成一层薄固体截面后，升降机构带动工作台下降一层高度，其上复盖另一层液态光敏树脂，接着进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固地粘在前一层上，就这样逐层叠加直到完成整个模型的制作。一般每个薄层的厚度0.070.4mm，模型从树脂中取出后，进行最终硬化处理加以打光、电镀、喷漆或着色等即可。 2.2 薄材叠层成形技术 薄材叠层成形技术是通过对原料纸进行激光切割与粘合的方式来形成零件的。如图 2 所示，其工艺是先将单面涂有热熔胶的纸通过加热辊加压粘结在一起，此时位于其上方的激光器按照分层 CAD 模型所获得的数据，将一层纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置，将下面已经切割的层粘合在一起，激光再次进行切割。切割时工作台连续下降，切割掉的纸片仍留在原处，起支撑和固化作用，纸片的一般厚度为0.070.1mm。该方法特点是成形速率高，成本低廉。 2.3 选区激光粉末烧结技术 选择性激光烧结 (SLS)的成形方法是。在层面制造与逐层堆积的过程中，用激光束有选择地将可熔化粘结的金属粉末或非金属粉末 (如石蜡、塑料、树脂沙、尼龙等)一层层地扫描加热，使其达到烧结温度并烧结成形; 当一层烧结完后，工作台降下一层的高度，铺下一层的粉末，再进行第二层的扫描，新烧结的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复，最后烧结出与 CAD 模型对应的三维实体。如图 3 所示。选择性激光烧结 (SLS)突出的优点在于它是以粉末作为成形材料，所使用的成形材料十分广泛，从理论上来说，任何被激光加热后能够在粉粒间形成原子间连接的粉末材料都可以作为 SLS 的成形材料。 32.4 熔融沉积成形技术 FDM 的基本原理是 :加热喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息作 X-Y 平面运动和高度 Z 方向的运动，丝材 (如塑料丝、石腊质丝等 )由供丝机构送至喷头，在喷头中加热、熔化，然后选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面轮廓，层层叠加最终成为快速原型。用此法可以制作精密铸造用蜡模、铸造用母模等。 2.5 三维打印技术 (TDF) 三维打印是一种不依赖于激光快速成形技术，其喷头喷射出来的材料呈液态，更像喷墨式打印头那样，形成三维实物。TDP 法可用的材料范围可以很广，尤其是可以制作陶瓷模。 43 快速成形模具制造 由于模具是一种技术密集型产品，其设计制造涉及材料、工艺、设备等各种因素，因此制模时间长，一般中等复杂的注塑模、压铸模、锻模的设计与制造需要 3 个月或更长的时间。因此，RPM 技术一问世，就被迅速应用于快速模具制造上。快速制模 (RT)技术大都依据快速成形制作的实体模型即样模 (母模)采用拷贝方式 (如金属喷涂、电镀、复合材料浇注、精铸等)快速制造模具主要工作零件 (凸、凹模或模腔、模芯)，其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/5-1/10，而成本却仅为其 1/3-1/5。快速成形模具制造分为直接法和间接法两大类，可应用于金属模和非金属模的制造。 3.1 直接制造金属模具 短工期和小批量的零件制造的最好方法就是快速成形直接制造模具，能在几天内完成非常复杂的零部件模具的制造，而且越复杂越能显示其优越性。用选域激光烧结直接制作铸造型壳，是在计算机 CAD 环境中，将设计好的零件三维实体模型直接翻成零件的反型，经过适当的处理并设计相应的浇冒口系统，得到型壳的 CAD 图形。在 SLS 烧结过程中，型壳成为烧结实体，零件仍是未烧结的粉末，将壳体内部的粉末清除干净即是型壳。 3.1.1 直接制作铸造型壳、渗金属 用选区激光烧结技术直接成形的金属模具往往是低密度的多孔结构，可将低熔点相的金属渗人后直接成形金属模具。 3.1.2 直接沉积成形 制件的强度与精度问题一直是需要攻克的难题。以钢、钢合金、铁镍合金、钦铝合金、镍铝合金为原料，采用激光技术，将金属直接沉积成形，其生产的金属模具强度超过了传统方法的金属模具。DTM 公司开发了一种在钢粉外表面包裹薄层聚醋的快速成形烧结材料，其金属粉末已由碳钢改变为不锈钢，所渗的合金由黄铜改变为青铜，并且不像原来那样需要中间加渗液态聚合物，其加工过程几乎缩短了 1/2。经选域激光烧结工艺快速烧结成形后可直接制造金属模具，这种模具含钢 400。铸模使用寿命高达数万件。但这种方法工艺较复杂。3.2 间接制造金属模具 快速成形可用来间接制造模具。间接制模法指制硬模具，或采用喷涂金属法获得轮廓形状，或者制作母模复制软模具等。对快速成形制造技术得到的原型表面进行特殊的处理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，或者由原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型浇注出金属模具 。 5随着成形制造技术的提高，这种间接制模工艺已基本成熟，其方法则根据零件生产批量大小而不同。常用的有硅橡胶模，批量 50 件以下;环氧树脂模，数百件以下;金属冷喷涂模 3000 件以下;快速制作 EPM 电极加工钢模 5000 件以上。 3.2.1 金属冷喷涂模 以快速成形原型为样模，将低熔点金属充分雾化后以一定的速度喷射到样模表面，形成模具型腔表面，背部充填铝的环氧树脂或硅橡胶复合材料支撑，将壳与原型分离，得到精密的金属模具，也称硬模。这通常指的是用间接方法制造，加人浇注系统、冷却系统和模架构成注塑模具。其特点是工艺简单，周期短，型腔及表面精细花纹一次同时形成，省去了传统模具加工中的制图、数控加工和热处理等昂贵、费时的步骤，不需机加工，模具尺寸精度高，成本低。美国爱达莎工程与环境实验中心采用快速凝固工艺实现了注塑模的快速经济制造。该方法采用快速成形技术制作的样件作为母样，通过喷涂到母样的金属或合金熔滴的沉积制作模具。其工艺过程为熔融的工具钢或其他合金被压人喷嘴，与高速流动的惰性气体相遇后形成雾状熔滴，喷向并沉积到母样上，复制出母样的表面结构形状，再借助脱模剂使沉积形成的钢制模具与母样分离，即可制出所需模具。母样使用的材料取决于喷涂其上的合金材料。对于喷涂工具钢来说，可选用陶瓷材料，类似材料还有铝氧粉可供选择。 3.2.2 熔模制造法制造钢模 此法分为制作单件和多件钢铁型腔。 (1)制作单件钢或铁型腔。工艺过程为用快速成形系统制作原型母模，将母模浸入陶瓷砂液形成模壳，在炉中固化模壳，烧去母模，浇注时在炉中面抛光，加人浇注系统和冷却系统等后，铸造批量生产注塑模。铸造铝、铜之类的失蜡浇注模也可以用此法制作。 (2)制造多件钢或铁型腔。用快速成形系统制作原型母模。用金属进行表面喷镀，或用铝基复合材料、硅橡胶、环氧树脂、聚氨醋浇注，构成蜡模的成形模。在成形模中用熔化蜡浇注蜡模，浸蜡模于陶瓷砂液中，形成模壳。在炉中固化模壳，熔化蜡模。在炉中预热模壳并在模壳中浇注钢或铁型腔。进行型腔表面抛光，加人浇注系统和冷却系统等，铸造批量生产注塑模。其中蜡模的成形模可反复使用，以便浇注多个蜡模，从而制造多个钢或铁型腔。其优点在于可以利用原型制造形状非常复杂的零件。 3.3 直接或间接制造非金属模具 单件小批量产品制造，可以利用快速成形技术和真空注塑技术，直接制造树脂模具，也可以间接制造模具。 3.3.1 直接制造注塑模、型腔模 6利用快速成形技术制造的原型直接作为模具型腔。用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面，背衬其他填充材料而制成的模具，具有复制好、尺寸精度高等特点，适宜于形状花纹不规则的型腔模具 (如人物造型)，及不易加工的奇特形状的注塑模型腔。 3.3.2 利用原型直接作为汽化模或代替蜡模 利用原型直接作为汽化模或代替蜡模进行熔模铸造，简化了制模工序，节省了制模时间。 3.3.3 利用原型直接复制硅橡胶模 由于硅橡胶模有很好的复印性能并可承受一定的高温，所以可以用产品原型当作母模，复制出硅橡胶模，据此可生产塑料件和低熔点金属件。 3.3.4 间接制作硅橡胶模 以原型为样件，采用硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模及软模。其工艺过程为制作原型一对原型表面处理，使其具有较好的表面粗糙度一固定放置原型、模框一在原型表面施脱模剂一在抽真空装置中抽出硅橡胶混合体中的气泡一浇注硅橡胶混合体得到硅橡胶模具一硅橡胶固化一取出原型。可以用翻成的硅橡胶模具浇注聚氨醋零件。 3.3.5 间接制作树脂型复合模具 以原型为基准，以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料浇注模具是一种间接制模方法，也称桥模，通常可直接进行注塑生产。其工艺过程为制作原型-表面处理- 设计制作模框-选择设计分型面-在原型表面和分型面刷脱模剂-胶衣树脂浇注凹模-浇注凸模。采用环氧树脂模具成本只有传统方法的几分之一，生产周期大大减小。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高。一套环氧树脂模具可生产 10005000 件产品，可以满足中小批量的生产需要。 3.3.6 间接化学粘结陶瓷浇注型腔 用快速成形系统制作纸质母模的原型，浇注硅橡胶环氧树脂、聚氨醋等软材料，构成软模，移去原型，在软模中浇注化学粘结陶瓷 (陶瓷基复合材料)型腔，之后在 205下固化型腔，并抛光型腔表面，加人浇注系统和冷却系统后便制得小批量生产用注塑模。这种型腔的寿命约为 300 件。 74 结语 空前激烈的市场竞争迫使制造企业必须以更快的速度设计，制造出性能价格比高并满足需要的模具。快速成形制造技术与传统的的制造技术相比具有多方面的优势:新产品开发周期短、成本低、产品设计柔性高等等。基于 RPM 的快速模具制造技术已成为现代工业产品重要的加工手段和工艺发展方向，具有广阔的发展前景。但目前由于该技术的成本还比较高，加之制件的精度、强度和耐久性方面还不能完全满足用户的要求，制约了该技术的普及推广。为此，需要研究人员的进一步探索。8参考文献：1孙秀英.面向 RP 的 VRML 模型浏览与分层研究D.西安科技大学,2006 2丘宏扬,谢嘉生 ,刘斌.快速成型技术研究中的若干关键问题J.锻造机械,2001 3徐江华,张敏 .快速成型技术在工业设计中的