冲压模具（三）的快速成型技术

模具的快速成型技术冲压模具（三）摘要：本设计是对给定冲压模具进行简单的设计并用快速成型的技术对模具进行加工。快速成型技术可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型快速模具技术融合了快速成型技术、高分子材料应用、快速翻制工艺等新技术和新工艺,可以快速并低成本地制造模具。快速成型技术既不同于传统的模腔内成型方式,即受迫成型,如铸、锻、挤压等;也不同于毛坯切削成型,是一种基于离散堆积成型思想的数字化成型技术。关键词：冲压模具,快速成型技术，熔融沉积制造，快速制造Rapidprototypingtechnology-stampingdiemold(three)Abstract:Thedesignisgivenasimplestampingdiedesignandrapidprototypingtechniquesusedformoldprocessing.Rapidprototypingtechnologywithouttheneedtoprepareanymold,toolandtoolingfixturesdirectlyaccepttheproductdesign(CAD)data,quicklycreatenewproducts,prototypes,moldsormodelsrapidtoolingtechnologycombinesrapidprototypingtechnology,highapplicationofmolecularmaterials,newtechnologiesandrapidcloningtechnologyandothernewtechnology,youcanquicklyandcost-effectivelymanufactureofmolds.Rapidprototypingtechnologyisdifferentfromthetraditionalmoldcavitymoldingmethods,namelyforcedmolding,suchascasting,forging,extrusion,etc.;alsofromroughcuttingmolding,formingadiscreteaccumulationofideasbasedondigitalprototypingtechnology.keywords：Stampingdie,rapidprototypingtechnology,fuseddepositionmanufacturing,rapidmanufacturing目录1绪论.11.1论文研究目的及意义.11.2本课题的主要研究方法.21.2.1本课题的要求.21.2.2本课题的研究手段.31.3文献综述.32冲压模具的设计.42.1冲压件的分析.42.2工艺方案的拟定.52.3工艺设计.52.3.1计算毛坯尺寸.52.3.2确定排样方案.72.3.3计算各工序压力.82.3.4选压力机及确定压力中心.102.4模具的结构.122.5凹凸模尺寸计算.132.6其他重要零件的选用.172.6.1成形零件.172.6.2支撑固定零件.173快速成型.193.1快速成型原理及特点.193.2快速成型的工艺过程.193.3快速成型的工艺类型.203.3.1熔融沉积制造的特点.223.3.2熔融沉积快速成型工艺的基本原理.233.3.3熔融沉积快速成型工艺过程.243.4以本文设计凸模为例的快速成型过程.244.三坐标测量机.284.1三坐标测量机的结构.28I4.2三坐标测量机的工作原理.284.3三坐标测量与快速成型的关系.284.4用三坐标测量机测量模具.295总结.316设计心得.32主要参考文献.33致谢.3501绪论1.1论文研究目的及意义快速成型技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加。快速成型技术可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型快速成型技术可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的去除法到今天的增长法，由有模制造到无模制造。快速成型技术是将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。快速成型技术是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型快速成型应用于模具加工的技术简称为快速模具技术。快速模具技术融合了快速成型技术、高分子材料应用、快速翻制工艺等新技术和新工艺,可以快速并低成本地制造模具。快速成型技术既不同于传统的模腔内成型方式,即受迫成型,如铸、锻、挤压等;也不同于毛坯切削成型,即去除成型,如车、铣、钻等,而是一种基于离散堆积成型思想的数字化成型技术。快速成型技术带来了模具制造业的革命。采用1传统的模具加工方法,制造周期长且成本高,难以适应市场的急速变化。快速成型配合传统制模技术不仅适合单件小批的模具快速制造,而且能适应各种复杂的模具快速制造,可精确地制作出模具的型芯和型腔,可直接用于注射过程制作塑料样件,以便发现和纠正出现的错误。运用快速成型技术与采用传统的数控加工制造模具相比,其生产周期缩短1/31/10,制造费用降低1/31/5。冲压模具设计与制造包括冲压工艺设计、模具设计与模具制造三大基本工作。冲压工艺设计是冲模设计的基础和依据。冲模设计的目的是保证实现冲压工艺。冲模制造则是模具设计过程的延续，目的是使设计图样通过原材料的加工和装配，转变为具有使用功能和使用价值的模具实体。1.2本课题的主要研究方法1.2.1本课题的要求将图1.1的冲压件进行设计并用快速成型的方法将模具进行图1.121.2.2本课题的研究手段（1）将图1.1的冲压模具进行设计。（2）利用Pro-E绘出模具装配图和凹凸模零件图随着计算机技术的发展，制造相关的模具设计与制造技术已经逐渐实现了数字化，Pro-E是具有相关数据库的CAD/CAM/CAE参数化软件，利用它可以进行零件设计、装配、模具设计、分析和动态模拟仿真等。在此过程中，通过Pro/Engineer的模具模块将在三坐标测量中获得的冲压模具相关测量数据进行建模，并对模具CAD模型进行切片处理。（3）用快速成型机将模具各部分零件进行烧结。将切片处理后的数据输入到快速成型机床中，在快速成型机床上数控系统控制激光头，烧结快速成型材料制造出模具的各部分零件。再通过相关后处理工艺，最终装配成冲压模具。1.3文献综述本文撰写过程中的主要参考文献有由姜奎华主编的冲压工艺及模具设计，朱林泉主编的快速成型与快速制造技术以及由刘东华主编的激光快速造型技术及其应用，文献涉及期刊、专著、论文集、学位论文及标准等内容包括模具设计、模具制造、快速成型等。同时在论文撰写过程中梁红玉老师的给予了很大的指导与帮助。32冲压模具的设计2.1冲压件的分析本课题研究所选的冲压件如图2.1图2.1工件图：如图2.1所示材料：10#钢板厚：2.5mm产品所用的材料为10#钢,其力学性能如下：=260340Mpa,b=300440Mpa,s=210Mpa。（冷冲压工艺与模具设计P322），零件图上未注公差等级，属自由尺寸，按IT12级确定工件尺寸的公差.该制件形状简单，尺寸较小，厚度一般，属于普通冲压件，但有几点应该注意：该冲裁件的材料，具有较好的可冲压性能。由于板料厚度一般，且在各个转角出均有圆角过渡，比较适合冲裁。有一定的生产批量，应重视模具材料的选择和模具结构的确定，保证模具的4寿命。制件较小，从安全考虑，要采取适当的取件方式，模具结构上设计好推件和取件方式。本零件采用的是2.5mm的10#钢板料带冲压而成,由图而知该图的零件外形尺寸不大且外形简单，要求的精度也不高。但有两个地方，是U形弯曲的，弯曲方向一样，所以一次冲裁很难完成。该零件有两个直径7的孔。由于孔的尺寸大于料厚所以不属于深孔冲裁，故没有必要对小孔模采取保护措施，所以对凸模不需要进行强度校核。从材料来说，该零件比较薄，便于成型，故该零件有利于冲压成型。2.2工艺方案的拟定根据生产效率、精度、所使用的机床、卸料方式、废料出料、板料的定位方式、制造成本等方面分析最终确定方案为级进模。级进模结构复杂；难以制造。有较高的生产效率且能保证制件的精度。在一副模具中，可以完成包括冲裁，弯曲，拉深和成形等多道冲压工序；减少了使用多副模具的周转和重复定位过程，显著提高了劳动生产率和设备利用率。由于在级进模中工序可以分散在不同的工位上，故不存在复合模的“最小壁厚”问题，设计时还可根据模具强度和模具的装配需要留出空工位，从而保证模具的强度和装配空间。2.3工艺设计2.3.1计算毛坯尺寸（1）展开尺寸的计算弯曲件毛坯的展开尺寸是根据变形中性层长度不变的原理来求出的，对于变形程度很小或对尺寸要不高的弯曲件来说，可以近似的认为变形中性层与毛坯的断面中心相重合，这时，中性层的位置为=r+t/25式中r弯曲件内层的弯曲半径t板料的厚度，而当需要精确的求出弯曲毛坯的展开长度时，就必须精确的求出变形中性层的位置。确定位置之后就可以进行毛坯展开长度的计算了，这需要一个中性层的位移系数，此系数对于弯曲形状及弯曲程度不同，数值也不同，需要根据实际的模具调节展开尺寸。本产品，尺寸没标公差，属于自由公差，可以直接按毛坯的断面中性层尺寸计算，弯曲公式是L=L1+2L2+2R经过实际计算L1=96此尺寸目前是待定，在实际生产时需调节。展开图纸如下图所示：图2.2外形最大尺寸为长度Dmax=96外形最大尺寸为宽度dmax=51，材料厚度为2.5，由冲压工艺与模具设计P45表2.5.2确定搭边值：工件间：a1=2.5；沿边：a=2.2，由于采用连续模来设计这个产品，产品宽度51直接裁到尺寸，所以在计算产品条料宽度时，不需要增加任何搭边和侧刃的计算。6由于是直边，所以可以用无废料的切断方法，所以取节距为96。由冲压工艺与模具设计P45表2.5.3条料下料剪切公差：=0.2；条料与导料板之间的间隙：c=0.3（2）计算工件实际面积在级进模里，各工位就有不同的冲压工序，每个工位的冲压性质都不同要遵循一定打冲压工序，否则就冲不出合格的制件，故必须设计好。排样是模具结构设计的主要依据，排样图的好坏，直接关系到模具的设计好坏。排样图的绘制过程中，由于级进模的工作过程是在一副模具上完成的，因冲压的制件的不同，各工位的冲压性质都必须遵循一定的规则，如果违背就冲不出合格的制件，所以必须设计好排样。由于冲裁件的产量很大，冲压的生产率高，故材料费常会占冲裁的60%以上。材料利用率是很重要的经济因素.要提高利用率必须减少废料的产生。产生废料的原因可分为结构废料和工艺废料。结构废料是由工件的结构确定的，所以不可避免。而工艺废料是由冲压方式和排样方式所决定的。因此，要减少工艺废料来实现利用率，有时可以在不影响使用性能的情况下，可以适当的改变冲裁件的形状。通过电脑计算得工件实际面积为2571.31，材料利用率的计算：一个步距内的材料利用率为=nF/Bs100%（3）=19651/9651100%=100%式中F一个步距内冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）；n一个步距内冲裁件数目；B条料宽度（mm）；s步距；2.3.2确定排样方案为保证条料送进的刚性和稳定性以及正确处理工件弯曲成型与载体的连接关系，7应考虑沿零件宽度方向横向排样，在尽量减小送进步距的基础上，宜采用单排单边载体排样。因为弯曲的主体部位在条料的下方，就是上弯曲。根据零件的形状可采用双边切侧刃的定位方法，在切废料之后，条料改为中间料做载体，这样既保证了条料的浮离送进，又不妨碍废料的分离和弯曲成型。考虑到产品精度要求，采用手动送料方式，侧刃孔定位，确保节距尺寸。具体的排样图如下：工位1:冲孔；工位2：切断弯曲，产品离开模具。具体排样图如下：排样图图2.32.3.3计算各工序压力已知工件的材料为材料是10#钢,厚度为0.5mm，抗剪切强度=260340Mpa,抗拉强度b=300440Mpa,屈服强度s=210Mpa。冲圆孔7力1：P1=1.3Lt=1.33.1472.5340=24287.9（N)=24.29KN8冲圆孔7力2：P2=1.3Lt=1.33.1472.5340=24287.9（N)=24.29KN切断力：P3=1.3Lt=1.3512.5340=56355（N)=56.36KN弯曲力的计算，弯曲力和产品宽度和弯曲R角有关，由于此工序是切开弯曲，所以带有切料的部分，计算压力时要计算切开压力和弯曲力，分开计算，产品外形尺寸要求不高，所以无需计算弯曲回弹，产品一次弯曲即可。此工件弯单边V形时力的计算，选计算公式为弯曲力计算：P4=n(kbttb)/(r+t)=1(1.3512.52.5440)/(5+2.5)=24310N=24.31KNP4材料在冲压行程结束时的自由弯曲力b弯曲件的宽度t弯曲件厚度r弯曲件内弯角半径k安全系数b材料的强度极限b查表=300440,取440弯曲力计算：P5=n(kbttb)/(r+t)=1(1.3512.52.5440)/(5+2.5)=24310N=24.31KN卸料力：P2=k卸F（查冷冲压工艺与模具设计得：k卸=0.0250.08）9冲压力大小为F=P1+P2+P3+P4+P5=24.29+24.29+56.36+24.31+24.31=153.56KNP2=k卸F=153.560.06=9.22KN这一工序的最大总压力为：P=F+P2=153.56+9.22=162.78KN2.3.4选压力机及确定压力中心根据以上计算和分析，结合模具外形大小和车间设备的实际情况，选用公称压力为400KN的单柱固定台压力机（型号为J2340）能满足使用要求。压力机的具体参数如下公称压力：400KN滑块行程：100mm滑块行程次数：80次/min最大封闭高度：300mm最大装模高度：220mm封闭高度调节量：80mm模柄孔尺寸：直径50mm，深度70mm工作台面尺寸：450mm（前后）510mm（左右）垫板厚度：80mm模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为了确保压力机和模具正常工作。采用解析法求压力中心，10XY1235图2.4首先：P1冲孔力1P1=KL，得P1=24.29KNP2冲孔力2P2=KL，得P2=24.29KNP3切断力P3=KL，得P3=56.36KNP4弯曲力P4=(kbttb)/(r+t)，得P4=24.31KNP5弯曲力P5=(kbttb)/(r+t)，得P5=24.31KNY1P1到X轴的力臂Y1=15X1P1到Y轴的力臂X1=43.35Y2P2到X轴的力臂Y2=-15X2P2到Y轴的力臂X2=43.35Y3P3到X轴的力臂Y3=0X3P3到Y轴的力臂X3=0Y4P4到X轴的力臂Y4=0X4P4到Y轴的力臂X4=-7.57Y5P5到X轴的力臂Y5=0X5P5到Y轴的力臂X5=-79.1311根据合力距定理：YG=（Y1F1+Y2F2.）/（F1+F2）XG=（X1F1+X2F2）/（F1+F2）YGF冲压力到X轴的力臂；YG=0XGF冲压力到Y轴的力臂；XG=-0.012.4模具的结构根据确定的工艺方案和零件的形状特点，精度要求，预选设备的主要技术参数，模具的制造条件及安全生产等，选定模具类型及结构形式。本设计中采用冲孔弯曲切断级进模。工件厚度一般（t=3mm以内）,故采用弹性卸料装置，弹性卸料装置除了卸料的作用外，在冲孔时还起到压紧工件的作用。有的模具也可以采用刚性卸料，加工方便，本设计中就是采用刚性卸料装置。级进模的结构形式如图2.5所示。12图2.52.5凹凸模尺寸计算切废料尺寸刃口按落料原理设计和计算间隙是影响模具寿命的各种因素中占最主要的一个。冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间的均有磨檫，而且间隙越小，磨檫越严重。在实际生产中受到制造误差和装配精度的限制，凸模不可能绝对垂直于凹模平面，而且间隙也不会绝对均匀分布，合理的间隙均可使凸模、凹模侧面与材料间的磨檫减小，并缓减间隙不均匀的不利影响，从而提高模具的使用寿命。冲裁间隙对冲裁力的影响：虽然冲裁力随冲裁间隙的增大有一定程度的降低，但是当单边间隙介于材料厚度5%20%范围时，冲裁力的降低并不明显（仅降低5%10%左右）。因此，在正常情况下，间隙对冲裁力的影响不大。冲裁间隙对斜料力、推件力、顶件力的影响：间隙对斜料力、推件力、顶件力的影响较为显著。间隙增大后，从凸模上斜、13从凸模孔口中推出或顶出零件都将省力。一般当单边间隙增大到材料厚度的15%25%左右时斜料力几乎减到零。冲裁间隙对尺寸精度的影响：间隙对冲裁件尺寸精度的影响的规律，对于冲孔和切边是不同的，并且与材料轧制的纤维方向有关。通过以上分析可以看出，冲裁间隙对断面质量、模具寿命、冲裁力、斜料力、推件力、顶件力以及冲裁件尺寸精度的影响规律均不相同。因此，并不存在一个绝对合理的间隙数值，能同时满足断面质量最佳，尺寸精度最佳，冲裁模具寿命最长，冲裁力、斜料力、推件力、顶件力最小等各个方面的要求。在冲压的实际生产过程中，间隙的选用主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个方面的主要因素。但许多研究结果表明，能够保证良好的冲裁件断面质量的间隙数值和可以获得较高的冲模寿命的间隙数值也是不一致的。一般说来，当对冲裁件断面质量要求较高时，应选取较小的间隙值，而当对冲裁件的质量要求不是很高时，则应适当地加大间隙值以利于提高冲模的使用寿命。该冲裁件外形尺寸为落料件，选凹模为设计基准件，只需计算落料凹模刃口尺寸由凹模的实际尺寸按间隙要求配做。工件精度要求为IT12级查冲压工艺与模具设计P31附表2.2.1：冲模制造精度为IT9IT11级，取IT10级。冲孔凸模和落料凹模尺寸按下列公式计算：冲孔时dp=(dmin+X)-p落料时Dp=(Dmax-X-Zmin)-p孔心距Lp=Lp式中Dpdp分别为落料和冲孔凸模的刃口尺寸（mm）；Dmax为落料件的最大极限尺寸（mm）；dmin为冲孔件的最小极限尺寸（mm）；工件公差；p凸模制造公差，通常取p=/4；p刃口中心距对称偏差，通常取p=/8；Lp凸模中心距尺寸（mm）；L冲件中心距基本尺寸（mm）；14Zmin最小冲裁间隙（mm）；冲孔凸模尺寸：Dp1=(dmin+X)-/4=7+0.50.36=7.18-0.02冲孔凹模尺寸：Bh1=(dp1+2Z)-/4=7.18+20.18=7.54-0.02孔心距Lp=LpLp1=300.01每工位之间的节距是Lp=960.01弯曲凸、凹模圆角半径对产品工作影响很大。毛坯经凹模圆角进入凹模时，受弯曲和摩擦作用，若凹模圆角半径过小，因径向拉力增大，易使产品件表面划伤或产生断裂；若过大，则压边面积小，由于悬空增大，易起内皱。因此，合理的选择凹模圆角半径很重要。具体数值查表可得。凸、凹模之间的间隙对弯曲力、制件质量、模具寿命等都有影响。间隙过大，容易起皱，制件有锥度，精度差；间隙过小，增加摩擦，导致之间边薄严重，甚至拉裂。因此，正确地确定凸模和凹模之间的间隙是很重要的。弯曲模间隙是单面间隙，即凹模和凸模直径之差的一半。在选择间隙时可以直接查表，可知间隙为(1-1.1t)，t为材料厚度。凸、凹模工作部分尺寸的确定，主要考虑模具的磨损和弯曲的回弹。由于产品弯曲精度要求不高，所以弯曲时，本设计中考虑一次弯曲成型，忽略产品弯曲回弹的尺寸，所以本设计中凸模与凹模间隙为1.0t，即2.5。凸、凹模工作表面粗造度要求：凹模工作表面和型腔表面粗造度应达到0.8；圆角处的表面粗造度一般要求0.4；凸模工作部分表面粗造度一般要求0.8-1.6。凹模凸模图如下：15图2.6弯曲凸模图2.7凹模162.6其他重要零件的选用2.6.1成形零件（1）凸模凸模材料选用T10A，淬火硬度达到58-62HRC。采用直接式凸模（如图6.1所示），圆形凸模采用台阶式固定，异形凸模与固定板采用过盈配合的方式，用螺钉与上模板固定，或者加工一台阶防止在冲压时掉落，看零件大小：（2）凹模凹模材料选用T10A，淬火硬度达到58-62HRC。凹模采用螺钉固定结构，与下模板配合，这样简化了模具的结构，节省了材料的成本。外形尺寸如下，所有的掉废料孔，加工台阶，根据材料厚度2.5毫米，留刃口尺寸4-5毫米。方面废料直接掉下模板。2.6.2支撑固定零件上、下模座中间联以导向装置的总体称为模架。通常都是根据凹模最大外形尺寸D。选用标准模架。选用18#对角导柱标准模架，加工方便，成本低。模具的闭合高度h=189225mm，上下模座选用材料为HT200，下模板厚度45，上模板厚度40。再由凹模板和模架尺寸确定其它模具模板的尺寸。上、下模座螺钉选取由凹模周界选用M8的内六角圆柱头螺钉参照模具各零件的具体情况，上模座选用4颗M10X40的内六角圆柱头螺钉固定。下模座选用4颗M8X50的内六角圆柱头螺钉固定。根据模具的实际情况上模座选用两颗1040的圆柱销钉定位下模座选用两颗850的圆柱销钉定位参照模具各零件的具体情况，合理布置螺钉、圆柱销的位置，从GB7076和17GB11976中选适当的规格与尺寸。导向装置：本模具采用圆形导柱、导套式的导向装置。导柱与导套之间采用间隙配合，配合精度为H7/R6。导柱与导套相对滑动，要求配合表面有足够的强度，又要有足够的韧性。所以材料选用20钢，表面经渗碳淬火处理，表面硬度为4548HRC。导柱、导套的配合精度、上模座上平面对下模座下平面的平行度、导柱轴心线对下模座下平面的垂直度等都要规定一定的公差等级。这些技术条件可保证整个模架具有一定的精度，也是保证冲裁间隙均匀性的前提。有了这一前提，加上工作零件的制造精度和装配精度达到一定的要求，整个模具达到一定的精度就有了基本的保证。导柱选用GB2861.281中的B型导柱，直径d=25mm、极限偏差为R7、长度L=150mm。导套选用GB2861.681中的A型导套，直径d=25mm、D=38、极限偏差为H7、长度L=80mm。由于为减少模具成本，选择的是标准后侧模架，由于此模架的导柱在对角，模具很平稳。183快速成型3.1快速成型原理及特点快速成形技术（简称RP）是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，快速成型属于离散/堆积成型。它从成型原理上提出一个全新的思维模式，即将计算机上制作的零件三维模型，进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件快速成型的特点：(1)可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散/堆积成型的原理，它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能显示出RP技术的优越性此外，RP技术特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件；(2)快速性。通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点；(3)高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造零件；(4)快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标，即材料的提取（气、液固相）过程与制造过程一体化和设计(CAD)与制造(CAM)一体化；(5)与反求工程(ReverseEngineering)、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品决速开发的有力工具。因此，快速成型技术在制造领域中起着越来越重要的作用，并将对制造业产生重要影响。3.2快速成型的工艺过程（1）三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在19成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm0.5mm，常用0.1mm。间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。（2）产品三维模型的构建。由于快速成型系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。（3）三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。STL文件有二进制码和ASCll码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比ASCII码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。（4）成型加工和模型精度。根据模型文件切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结（有的技术是层堆积和固化，同步完成，最终得到原型产品。（5）成型零件的后处理。不同的成型工艺，其后处理复杂与简单程度不同。有的成型工艺需要从成型系统里取出成型件后，再次进行打磨、抛光和繁杂的二次固化以及去处支撑材料等，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度，如SLA。有的成型工艺则只需要很简单的后处理，无需打磨和二次固化等。3.3快速成型的工艺类型快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术(LaserTechnology)，例如：光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、选域激光粉末20烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等；基于喷射的成型技术(JettingTechnoloy)，例如：熔融沉积成型(FDM)、三维印刷(3DP)、多相喷射沉积(MJD)。下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍。（1）光固化成型（StereoLithographyApparatus，SLA）光固化成型的原理是：将激光聚焦到液态光固化材料（如光固化树脂）表面、令其有规律地固化，由点到线到面完成一个层面的建造，而后升降平台移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层叠加成为一个三维实体。SLA方法是目前快速成型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由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。例如，制造概念原型，可安装为最终产品模型的概念原型，蜡模铸造模型及其它少量母模，直接制造金属注塑模等。（2）分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）该技术采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片粘结在一起。这样层层叠加后得到一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘结剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其它材质基的箔材。因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。缺点是材料浪费严重，表面质量差。（3）选择激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）此技术采用激光对有很好密实度和平整度的粉末铺成的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘结，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或粘结成另一层并与前一层熔接或粘结，如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结是将粉末直接熔化面连接；间接熔结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘结的目的。粘结则是指将粉末采用粘结剂粘结。这里的粉末材料主要有蜡、聚碳酸脂、水洗砂等非金属粉，以及金属粉如铁、钴、铬以及它们的合金。SLS工艺的特点是材料适应面广，这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。（4）3DP(ThreeDimensionPrinting)工艺三维印刷工艺是美国麻省理工学院E-21manualSachs等人研制的。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下渗人金属，使零件致密化，提高强度。（5）熔融沉积制造（FusedDepositionModeling，FDM）是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺。熔融沉积造型采用热熔喷头，使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型，逐层沉积、凝固后形成整个原型或零件。这一技术又被称为熔化堆积法、熔融挤出成模等。FDM快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源，而将各种丝材加热熔化的成型方法。FDM成形工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险，比较适合于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，以及用于医学、医疗、大地测量、等基于数字成像技术的三维实体模型制造。表3.3本次所采用的快速成型工艺为熔融沉积制造（FDM）。3.3.1熔融沉积制造的特点这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可以22直接用于失蜡铸造。用ABS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。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30适于三维打印机的特点。不使用激光，维护简单，成本低：价格是成型工艺是否适于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。塑料丝材，清洁，更换容易：与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后，原型即可使用。而现在应用较多的SL，SLS，3DP等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且需要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染，二是增加了几个小时的时间，不能在成型完成后立刻使用。成型速度较快：一般来讲，FDM工艺相对于SL，SLS，3DP工艺来说，速度是比较慢的。但针对三维打印应用，其也有一定的优势。首先，SL，SLS，3DP都有层间过程（铺粉/液，挂平），因而它们一次成型多个原型是速度很快，例如3DP可以做到一小时成型25mm左右高度的原型。三维打印机成型空间小，一次多成型1至2个原型，相对来讲，他们的速度优点就不甚明显了。其次三维打印机对原型强度要求不高，所以FDM工艺可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。通过试验，具有某些结构特点的模型，最高成型速度已经可以达到60立方厘米/小时。通过软件优化及技术进步，预计可以达到200立方厘米/小时的高速度。快速塑料零件制造材料性能一直是FDM工艺的主要优点，其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一。今年来又发展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，强度已经接近或超过普通注塑零件，可在某些特定场合（试用，维修，暂时替换等）下直接使用。虽然直接金属零件成型（近年来许多研究机构和公司都在进行这方面的研究，是当今快速原型领域的一个研究热点）的材料性能更好，但在塑料零件领域，FDM工艺是一种非常适宜的快速制造方式。233.3.2熔融沉积快速成型工艺的基本原理FDM是指将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与第一个层面粘结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。3.3.3熔融沉积快速成型工艺过程FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型。加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料有供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面层的高度，在进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。FDM快速成型的过程包括：设计三维CAD模型、将绘制出的图形进行“分层”截面、对STL文件进行分层处理、成型、后处理。3.4以本文设计凹凸模为例的快速成型过程（1）建立三维数据模型，将现实物体的各种信息用一定的数据方式在计算机中表现出来的过程称为建模。运用Pro/E软件将模具的凸模（图3.5）进行三维建模，如图3.5所示，24图3.5凹凸模（2）将Pro/E绘制出来的图