落料冲孔复合模3D打印快速制造技术研究

落料冲孔复合模3D打印快速制造技术研究摘要：3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。模具生产零件具有生产效率高、质量好、节约能源和原材料以及成本低等一系列优点。本文介绍了三维打印快速成型技术的工作原理、制造工艺流程及特点的基础上,分析了三维快速成型打印技术在模具制造方面的应用。打印了一套落料冲孔复合模具。关键词：3D打印技术，3D打印机，快速成型技术，模具Blankingpunchingcompounddie3DprintingrapidmanufacturingtechnologyresearchAbstract:The3Dprintingtechnologyisrefersthroughthecontinualphysicallevelsuperimposition,thecascadeincreasematerialproducesthethreedimensionalentitythetechnology,isdifferentwiththetraditionaleliminationmaterialprocessingtechnology,thereforeiscalledtheincreasemanufacture.Asonecomprehensiveapplicationtechnology,the3Dprintingsynthesizedthenumeralmodelingtechnology,themechanicalandelectricalcontroltechnology,theinformationtechnology,thematerialsscienceandchemistryandsoonmanyaspectfronttechnicalknowledges,hastheveryhightechnologycontent.The3Dprinteristhe3Dprintingcoreequipment.Atpresent,the3Dprintingtechnologymainlyisappliedindomainsandsoonproductprototype,moldmanufactureaswellasartisticcreation,jewelrymanufacture,substitutesthisdomaintraditiondependencethefineprocessingcraft.Themoldproductioncomponentshavetheproductionefficiencyhigh,thequalitygood,thefrugalenergyandrawmaterialaswellasthecostlowstatusaseriesofmerits.Statisticshaveindicated.Thispaperintroducestheworkingprincipleofthreedimensionalprintingrapidprototypingtechnology,manufacturingprocessandcharacteristics,onthebasisofanalysisofthethreedimensionalprintingrapidprototypingtechnologyinmoldmanufacturingapplications.Printasetofblankingpunchingcompounddie.Keyword:The3Dprintingtechnology,the3Dprinter,RapidPrototypingManufacturing,Mold目录1绪论11.1快速成型技术的早期发展21.2快速成型技术市场及学术领域31.3快速成型技术的优越性42快速成型制造工艺62.1引言62.2光固化成型工艺62.2.1光固化成型的基本原理62.2.2光固化成型材料72.3叠层实体制造工艺82.3.1叠层实体制造工艺的基本原理92.3.2叠层实体制造工艺的材料92.4选择性激光烧结工艺102.4.1选择性激光烧结工艺的基本原理102.4.2选择性激光烧结工艺的成型材料123快速模具制造技术133.1引言133.2快速模具的分类133.3硅橡胶制模技术143.3.1模具硅橡胶材料的类型153.3.2硅橡胶模具的特点153.4电弧喷涂快速制模技术153.4.1电弧喷涂制模技术的现状153.4.2电弧喷涂快速制模工艺174快速成型技术的数据准备与处理214.1引言214.2CAD三维模型的构建方法214.2.1概念论文214.2.2反求工程224.3常用的CAD/CAM软件介绍234.4STL数据件255落料冲孔复合模的3D打印制造265.1落料冲孔复合模的结构265.2熔融沉积快速成型工艺315.2.1熔融沉积工艺的基本原理315.2.2熔融沉积成型材料及工艺参数325.33D打印技术制造模具的问题335.43D打印技术制造模具的优缺点34结论35参考文献36致谢3801绪论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。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，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具生产技术水平的髙低，已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。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。要论文和制造出一副合格的模具,往往需要经过由论文、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。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中发挥活力的制约因素。从20世纪90年代开始，市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费需求者求日益主体化、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，不但要迅速地设计出符合人们消费需求的产品，而且还必须很快地生产制造出来，抢占市场。随着计算机技术的迅速普及和CAD/CAM技术的广泛应用，产品从设计造型到制造都有了很大发展，而且产品的开发周期、生产周期、更新周期越来越短。20世纪开始，企业的发展战略已经从60年代如何做得更多、70年代如何做得更便宜、80年代如何做得更好发展到90年代的如何做得更快。因此，面对一个迅速变化且无法预料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。快速响应市场需求，已成为制造业发展的重要走向。为此，近年来工业化国家一直在不遗余力地开发先进的制造技术以提高制造工业的发展水平，计算机、微电子、信息、自动化、新材料和现代化企业管理技术的发展日新月异，产生了一批新的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就。快速成型（也称快速原型）制造技术（RapidPrototypingManufacturing）就是在1这种背景下逐步形成并得以发展的。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造产品样品，无须传统的机械加工机床和模具。该项技术创立了产品开发的新模式，使设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性而迅速地验证和检查所设计的产品结构和外形，从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费的力度。快速成型技术制作的样品可用于新产品的评价，也可用于制造硅橡胶模；具和熔模铸造模具等，从而批量地生产塑料及金属零件。用这种方法制造样;品较传统法的显著优点是，制造周期大大缩短（由几周、几个月缩短为若干个小时、成本大大降低）。而以RP&M原型作母模来翻制模具的快速模具制造技术（RapidTooling,RT），进一步发挥了快速成型制造技术的优越性，可在短期内迅速推出满足用户需求的一定批量的产品，大幅度降低了新产品开发研制的成本和投资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期，在小批量、多品种、改型快的现代制造模式下具有强劲的发展势头。模具制造是制约我国汽车、家电、轻工等行业发展的瓶颈和关键，随着快速成型软硬件设备与快速成型材料的不断发展和完善，快速原型件的强度和精度得到不断的提高，快速成型技术已经逐渐地深入到快速模具制造领域，基于快速成型方法制造各类简易经济快速模具已成为RP&M应用的热点问题。1.1快速成型技术的早期发展快速成型技术的基本原理是基于离散的增长方式成型原型或制品。在历史上，很早以前就有“增长”这种制造方式。快速成型技术的早期根源可以追溯到早期的地形学工艺领域。早在1892年，Blather在他的美国专利中曾建议用叠层的方法来制作地图模型。该方法包括将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上并沿轮廓线切割蜡片，然后堆叠系列蜡片产生三维地貌图。1940年，Pereira提出相似的方法，即沿轮廓线切割硬纸板，然后堆叠，使这些纸板形成三维地貌图。1964年，进一步细化了该方法，建议用透明的纸板，且每一块均带有详细的地貌形态标记。1972年，Masuria提出在上2述方法中使用光固化材料，将光敏聚合树脂涂到耐火颗粒上（例如石墨粉或砂砾X然后这些耐火颗粒被填充到叠层，加热形成与叠层对应的板层，光线有选择地投射或扫射到这个板层，将规定的部分硬化，没有扫描或没有硬化的部分被某种溶剂溶化，用这种方法形成的薄板层被堆积在一起形成模型。1976年，Demotte进一步明确地提出，这种堆积技术能够用来制造用普通机加工设备难以加工的曲面，如螺旋桨、三维凸轮和型腔模具等。Demotte在具体实践中，通过铣床加工成形沿高度标识的金属层片，然后粘接成叠层状，采用螺栓和带锥度的销钉进行连接力口固，制作了型腔模，如图1-1所示。1.2快速成型技术市场及学术领域RP&M技术按照所使用的材料不同和零件的建造技术不同可分为多种工艺，其中包括光固化技术（StereoLithographyApparatus,SLA）、选择性激光烧结技术（SelectiveLasersintering,SLS）、层状物体制造技术（LaminatedObjectManufacturing,LOM）及溶融沉积制造技术（FusedDepositionModeling,FDM）等。近年来，新出版的有关RP&M方面的学术刊物有快速原型制造(RapidPrototyping(季刊)快速原型制造杂志（RapidPrototypingJournal(季刊)）、快速原型制造报告(RapidPrototypingReport(月刊)以及虚拟原型制造杂志（VirtualPrototypingJournal）等。学术会议有全美快速原型制造会议、欧洲快速原型与制造技术会议、国际制造过程自动化会议及国际快速原型与制造会议等。快速成型制造技术正如其本身所具备的快速特征一样，迅速在工业界和学术研究界占有了极其重要的地位。随着快速成型系统研发质量的不断提高和应用领域的逐渐扩大和深入，与之并行的RP材料及相关软件的研究与开发也得到了快速的发展。成型材料是RP技术发3展的关键环节，它影响着原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。新成型工艺方法的出现往往与新材料的应用密切相关，目前所应用的成型材料的种类已比较丰富，如表1-1所示。表1-1快速成型材料的种类固态粉末材料形态液态非金属金属固态片材固态丝材材料种类光固化树脂蜡粉尼龙粉覆膜陶瓷粉钢粉覆膜钢粉覆膜纸覆膜塑料覆膜陶瓷箔覆膜金属箔蜡丝ABS丝几乎所有著名的快速成型系统的制造商都在硏究并提供快速成型用材料，同时也出现了众多专门研发并提供与快速原型制作和应用相关材料的公司，如气巴公司、杜邦公司等。软件是RP&M系统的灵魂，其中最为关键的又是CAD到RP接口的数裾转换和处理软件。在RP&M发展初期，人们的注意力主要集中在工艺本身，而随着应用的不断深入，软件处理的精度和速度以及软件对复杂模型的处理能力就成为应用中的一个主要瓶颈。国外的RP&M公司和研究机构对此都非常重视并投入大量人力和资金进行软件的研究和开发。1.3快速成型技术的优越性在产品设计和制造领域应用快速成型技术，能显著地縮短产品投放市场周期，降低成本，提高质量，增强企业的竞争能力。一般而言，产品投放市场的周期由设计（初步设计和详细设计）、试制、试验、征求用户意见、修改定型、正式生产和市场推销等环节所需的时间组成。由于釆用快速成型技术之后，从产品设计的最初阶段开始，设计者、制造者、推销者和用户都能拿到实实在在的样品（甚至小批量试制的产品），因而可以及早地、充分地进行评价、测试及反复修改，并且能对制造工艺过程及其所需的工具、模具和夹具的设计进行校核，甚至用相应的快速模具制造方法做出模具，因此可以大大减少失误和不必要的返工，从而能以最快的速度、最低的成本和最好的品质将产品投入市场。具体而言，以下几方面都能受益。4(1)设计者受益。采用快速成型技术之后，设计者在设计的最初阶段就能拿到实在的产品样品，在单个零件和装配部件的级别上，对产品设计进行板验和优化，并可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工模具及少量的产品。这将给设计者创造一个优良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。（2）制造者受益。制造者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品甚至试制用的工模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见，做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等的准备工作，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成本和提高产品质量。（3）推销者受益。推销者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样0品甚至少量产品，这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传和征求意见，以及进行比较准确的市场需求预测，而不是仅凭抽象的产品描述或图样、样本来推销。所以，快速成型技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。（4）用户受益。用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品甚至少量产品，这使得用户能及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在尽可能短的时间内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。52快速成型制造工艺2.1引言快速成型制造技术是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术，从1988年世界上第一台快速成型机问世以来，各种不同的快速成型二艺相继出现并逐渐成熟，相对应的设备继而快速地商品化。目前，比较成熟的快速成型工艺方法已有十余种，其中光固化成型法（SLA）、叠层实体制造法（LOM）、激光选区烧结法（SLS）、熔融沉积法（FDM）得到了世界范围内的广泛应用，下面重点介绍这几种常用的快速成型技术。2.2光固化成型工艺光固化成型工艺,也常被称为立体光刻成型，英文名称(StereoLithography，简称SL),有时也被简称为SLA（StereoLithographyApparatus）。该工艺是由Charles于1984年获得的美国专利，是最早发展起来的快速成型技术。自从1988年3DSystems公司最早推出化入商品化快速成型机以来，SLA已成为最为成熟和广泛应用的RP典型技术之一。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出各种加工方法难以制作的复杂立体形状，在加工技术领域中具有划时代的意义。2.2.1光固化成型的基本原理光固化成型工艺的成型过程如图2-1所示。液槽中盛满液态光敏树脂，氦一镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反6应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，然后刮板将粘度较大的树脂液面刮平，进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。当实体原型完成后，首先将实体取出，并将多余的树脂排净。由于树脂具有很高的粘性，这个过程将会花费数小时的时间。去掉支撑后，再将实体原型放在紫外激光下整体后固化。图2-1光固化成型工艺过程原理图因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，总是有或多或少的树脂残留在每层之上而影响实体的精度。采用刮板刮切后，只有所需数量的树脂会被十分均匀地涂敷在上一叠层上，所以可以得到较好的精度，使产品表面更光滑，并且能有效地减少非工作时间。2.2.2光固化成型材料光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料有下列优点：（1）固化快，可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2）不需要加热，这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。（3）可配成无溶剂产品，使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂。7（4）节省能量，各种光源的效率要高于烘箱。（5）可使用单组分，无配制问题，使用期较长。(6)可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。2.3叠层实体制造工艺叠层实体制造技术（LaminatedObjectManufacturing,LOM)是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。由于叠层实体制造技术多使用纸材，成本低廉，制件精度高，而且制造出来的木质原型具有外在的美感和一些特殊的品质，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。2.3.1叠层实体制造工艺的基本原理图2-2为叠层实体制造技术的原理简图，它由计算机、原材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台、数控系统和机架等组成。图2-2叠层实体制造技术的原理简图81一激光器2压辑3纸材4一材料送进辅筒5升降台6蔓层7当前叠层轮廓线其中，计算机用于接收和存储工件的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料考储及送进机构将存于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸），逐歩避至工作台的上方。热粘压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小方网格以便在成形之后能剔除废料。2.3.2叠层实体制造工艺的材料LOM工艺中的成型材料涉及到三个方面的问题，即薄层材料、粘结剂和涂布工艺。薄层材料可分为纸、塑料薄膜、金属箔等。目前的LOM成型材料中的薄层材料多为纸材，而粘结剂一般为热熔胶。纸材料的选取、热熔胶的配制及涂布工艺均要从保证最终成型零件的质量出发，同时要考虑成本。对于LOM纸材的性能，要求厚度均匀、具有足够的抗拉强度以及对粘结剂有较好的湿润性、涂挂性和粘结性等。下面就纸的性能、热熔胶的要求及涂布工艺进行简要的介绍。(1).纸的性能对于LOM成型材料的纸材，有以下要求：抗湿性。保证纸原料（卷轴纸）不会因时间长而吸水，从而保证热压过程中不会因水分的损失而产生变形及粘接不牢。纸的施胶度可用来表示纸张抗水能力的大小。良好的浸润性。保证良好的涂胶性能。抗拉强度。保证在加工过程中不被拉断。收缩率小。保证热压过程中不会因部分水分损失而导致变形，可用纸的伸缩率参数计量。剥离性能好。因剥离时破坏发生在纸张内部，要求纸的垂直方向抗拉强度不是很大。易打磨，表面光滑。稳定性。成型零件可长时间保存。9(2).热熔胶分层实体制造中的成型材料多为涂有热熔胶的纸材，层与层之间的粘结。热熔胶的种类很多，其中以EVA型热熔胶的需求量为最大，占热熔胶消费总量的80%左右。当然在热熔胶中还要添加某些特殊的组分。LOM纸材对热熔胶的基本要求为：良好的热熔冷固性（约70100C开始熔化，室温下固化）。在反复“熔融一固化”条件下，具有较好的物理化学稳定性。熔融状态下与纸具有较好的涂挂性和涂勻性。与纸具有足够粘结强度。良好的废料分离性能。2.4选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺（SelectiveLaserSintering,简称SLS）又称为选区激光烧结，由美国德克萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。SLS的原理与SLA十分相像，主要区别在于所使用的材料及其形状。SLA所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。这是该项技术的主要优点之一，因为理论上任何可熔的粉末都可以用来制造模型,这样的模型可以用作真实的原型制件。2.4.1选择性激光烧结工艺的基本原理选择性激光烧结加工过程是釆用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成形零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必像SLA和FDM工艺那样另外生成支撑工艺结构。10当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末块会上升到初始的位置，将其拿出并放置到一个空的工作台上,用刷子刷去表面粉末露出加工件部分，其余残留的粉末可用压缩空气除去。图2-3和图2-4分别给出了SLS系统的工艺原理和基本组成，包括C02激光器和光学系统、粉料送进与回收系统、升降机构、工作台、构造室等。图2-3选择性激光烧结工艺原理图图图2-4选择性激光烧结系统的基本组成SLS技术及设备系统视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以11聚酰胺粉末烧结为例，为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧，必须在工作空间充入阻燃气体，一般为氮气。为了使粉状材料可靠地烧结，必须将机器的整个工作空间、直接参与造型工作的所有构件以及所使用的粉状材料预先加热到规定的温度，这个预热过程常常需要数小时。原型制作完成后，为了除去工件表面沾粘的浮粉，需要使用软刷和压缩空气，.而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。2.4.2选择性激光烧结工艺的成型材料SLS工艺材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。用于SLS工艺的材料是各类粉末，包括金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末，如尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉（成型后常须进行再烧结及渗铜处理）、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和复蜡金属粉等，近年来更多的釆用复合材料。工程上一般按粒度的大小来划分颗粒等级。间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：一种是粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合；另一种则是把金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的金属或陶瓷粉末。实验表明，这种粘结剂包裹的粉末制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。当烧结环境温度控制在聚碳酸酯软化点附近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸酯材料翘曲较小，具有很好的工艺性能。为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究转向金属和陶瓷。123快速模具制造工艺3.1引言快速原型由于其制造方法要求的使用材料的限制,并不能够完全替代最终的产品。因此,在新产品功能检验、投放市场试运行获得用户使用后的反馈信息以及小批量生产等方面，仍需要由实际材料制造的产品。因此,利用快速原型作母模来翻制模具并生产实际材料的产品，便产生了基于快速原型的快速模具制造技术（RapidTooling一RT)。运用RT技术突出的特点就是其显著的经济效益，它与传统的数控加工模具方法相比，周期和费用都降低1/31/10左右，如表3-1所示。近年来，工业界对RT的研究开发投入了日益增多的人力和资金，RT的收益由此也获得了巨大增长。据SME统计，近年来RT服务的收益年增长率均高于RP系统销售，如1996年比1995年增长62.7%,而RP设备销售额的增长为42.6%。到目前为止，世界上已有RT服务机构近300家，1996年底,其总收入达2.864亿美元，占RP&M行业收入的58.2%。表3-1基于RP&M原型快速制作模具与传统机加工法制作模具的比较制模方法制作成本/美元制作周期/周模具寿命/件硅橡胶浇注法5230金属树脂浇注法945300电弧热喷涂法25671000镍蒸发沉积法30675000传统机加工方法601618250000133.2快速模具的分类基于RP的快速模具制造方法一般分为直接法和间接法两大类。直接制模法是直接采用RP技术制作模具，在RP技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法（SLS法）。用这种方法制造的钢铜合金注射模，寿命可达5万件以上。但此法在烧结过程中材料发生较大收缩且不易控制，故难以快速得到高精度的模具。目前，基于RP快速制造模具的方法多为间接制模法。间接制模法指利用RP原型间接地翻制模具。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具（SoftTooling)和硬质模具（HardTooling)两大类。软质模具因其所使用的软质材料（如硅橡胶、环氧树脂等）有别于传统的钢质材料而得名，由于其制造成本低和制作周期短，因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行以及国防、航空等领域单件、小批量产品的生产方面受到高度重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。目前提出的软质模具制造方法主要有硅橡胶浇注法、金属喷涂法、树脂浇注法等。软质模具生产制品的数量一般为505000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具，硬质模具指的就是钢质模具，利用RP原型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。3.3硅橡胶制模技术随着机械制造业的迅速发展，对模具的需求越来越大。一种较复杂的模具往往需要多块组合而成，不但费用高，周期长，而且不易保证尺寸精度。硅橡胶模具的产生，完全解决了这一难题。硅橡胶模具制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，制作周期短，制件质量高，因而备受关注。由于零件的形状尺寸不同，对硅橡胶模具的强度大小要求也不一样，因而制模方法页有所不同。3.3.1模具硅橡胶材料的类型14目前，制模用硅橡胶为双组分液体硅橡胶，分为缩合型和加成型两类。缩合型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为羟基的聚硅氧烷(生胶）、填料、交联剂和硫化促进剂。加成型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为乙烯基的聚硅氧烷（生胶）、含氢硅油（交联剂)、铂触媒（催化剂）、白炭黑（填料）。目前，这两种模具硅橡胶材料已在国内外许多行业获得了广泛应用。一般来说，缩合型模具硅橡胶的抗剪强度较低，在模具制造过程中易被撕破，因此很难适用于那些花纹深、形状复杂的模具。在用缩合型模具胶制造厚模具的过程中，由于缩合交联过程中产生的乙醇等低分子物质难于完全排出，致使模具在受热时硅橡胶降解老化而显著影响其使用寿命；同时由于乙醇等低分于物质的排出致使硫化胶的体积收缩，从而造成模具的尺寸小于相应的原型尺寸。因此，缩合型模具硅橡胶大多用作塑料与人造革生产中的高频压花模具或用于一些尺寸要求不精密的工艺品制造。由于釆用加成硫化体系，加成型模具硅橡胶在硫化时不产生低分子化合物，因而具有极低的线收缩率，胶料可以深度固化，而且物理性能、力学性能和耐热老化性能优异，成为了模具胶中正在大力发展的品种。加成型模具硅橡胶适用于制造精密模具和铸造模具，而且模具制造工艺简单，不损伤原型，仿真性好。3.3.2硅橡胶模具的特点硅橡胶具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率。用该材料制造弹性模具简单易行，无需特殊的技术及设备，只需数小时在室温下即可制成。硅橡胶模具能经受重复使用和粗劣操作,能保持制件原型和批量生产产品的精密公差,并能直接加工出形状复杂的零件，免去铣削和打磨加工等工序,而且脱模十分容易,大大缩短产品的试制周期，同时模具修改也很方便。此外,由于硅橡胶模具具有很好的弹性，对凸凹部分浇注成型后也可直接取出，这是它的独特之处。硅橡胶的这些优点使它成为制模材料的佼佼者，一部分己进入机械制造领并与金属模具相竞争。目前用硅橡胶制造的弹性模具已用于代替金属模具生产蜡模、石膏模、陶瓷模、塑料件，乃至低熔点合金如铅、锌以及铝合金零件，并在轻工、塑料、食品和仿古青铜器等行业的应用不断扩大，对产品的更新换代起到不可估量的作用。利用硅橡胶制造模具，可以更好的发挥RP&M技术的优势。153.4电弧喷涂快速制模技术3.4.1电弧喷涂制模技术的现状电弧喷涂制模技术是将两根带电的制模专用金属丝通过导管不断地向前输送，金属丝在喷枪前端相交形成电弧，金属丝经电弧熔化，在压缩空气的作用下，将熔化的金属雾化成金属微粒，并以一定的速度喷射到样模表面，一层一层地相互叠加堆积而形成高密度、高结合强度的金属喷涂层，即模具型腔的壳体（或实体）。这层壳体的内壁形状与样模表面完全吻合，从而形成了所需的模具型腔。喷涂形成的金属壳体与其他基体材料填充加固，结合成一整体，再配以其他部件，即组成一付完整的模具。这种制模方法类似于电铸制模，但又不完全相似。它制模工艺简单，容易掌握，模具制作周期短，费用低，对比制作同一形状尺寸的钢模，制模周期和模具费用均可降低60%以上。电弧喷涂制模的思想起源于20世纪60年代提出的净形热喷涂成型(Net-shapethermalsprayforming),基本过程是将恪化的金属雾化，高速喷射沉积于基体上，所获制件的形状与基体相对应，是一种集材料制备与成形于一体的制造方法。电弧喷涂制造模具的最初构想就是在塑料制品原型或木材、蜡石、膏等模型上喷涂一定厚度的金属涂层，然后把涂层从基体上取下来，这就得到了可以复制原模型的模具型腔。电弧喷涂制模技术很早就被提出，但在实际中并没有得到应用，这是因为此技术中存在很多技术难点。20世纪80年代后期，随着现代工业的发展,塑料工业也正在迅速地发展，尤其是汽车工业的发展大大增加了对塑料制品的需求。汽车无论外形还是内饰都在不断地改进，而每种新型号的出现，都要求有与之配套的模具来制造，塑料产品的多样化和小批量的特性决定了模具的多样性，这就意味着整个市场要求一种成本低、周期短的制模方法。传统用机械加工和铸造的方法来制造模具，其成本高，并且一旦产品改进，就要求更换模具。因此，这种方法周期长，不能适应市场变化的要求，所以，在制模领域，一种低成本、短周期的制模方法-电弧喷涂制模技术应运而生，尤其是快速成型技术的出现和发展，可以快速高精度地制作复杂模型，使得电弧喷涂快速模具可以应用到复杂产品的注塑工艺试制与生产中。16电弧喷涂制模可广泛用于塑料加工中的反应注塑成型、吹塑成型、结构发泡以及其他一些注塑成型等工艺中。此方法制造的模具特别适于生产反应注塑成型工艺中（RIM)的聚氨酯零部件的生产，如汽车制造中可以用来生产驾驶盘、汽车仪表盘、座垫、头部靠垫、阻流板、汽车内饰顶蓬等；在民用建筑方面可用来生产成型家具、隔热材料；在轻工业中可以用来制造聚氨醋鞋底等。加工生产塑料用模具的方法通常有：机械加工、金属铸造、锻造成型、数控仿形、真空蒸镀镍壳等方法。同其他几种方法相比，电弧喷涂制模技术具有如下优点：(1)不论原模的材料是金属、木材、或塑料制品，所得到的模具型腔线条轮廓清晰，外形尺寸不变,因喷涂时原模的表面温度一般不超过60C,因此没有热应力引起的变形问题。(2)制模效率高,大大缩短制模周期。(3)尺寸不受限制,可小至硬币的尺寸,大至制造汽车内顶蓬真空成型模具。(4)使塑料生产线能迅速更改产品的品种,符合市场的变化要求。(5)设备投资小,经济效益好,随着加工时间的增加,用此方法加工模具的成本优势就越显著，同其他方法相比，此方法成本可节省220倍。电弧喷涂制模是一种典型的快速制模技术，具有制模工艺简单、制作周期短、模具成本低等显著特点，特别适用于小批量、多品种的生产使用，尤其在当前市场竞争的情况下，电弧喷涂制模技术为产品的更新换代提供了一个全新的制模方法和捷径。此技术必将越来越受到人们的重视和应用。3.4.2电弧喷涂快速制模工艺（1）.电弧喷涂制模原理和工艺流程电弧喷涂是将两根待喷金属丝作为自耗性电极，利用两根金属丝端部短路产生的电弧使丝材熔化，用压缩气体把己熔化的金属雾化成微滴，并使其加速，以很高的速度沉积到基体表面形成涂层。以这种金属涂层作为模具的型腔表面，背衬加固并设置相应的钢结构后就形成了简易的快速经济模具。图3-1是基于RP原型的电弧喷涂制模工艺流程。17图3-1电弧喷涂快速制模工艺流程图电弧喷涂制模的工序大致可分为五个步骤：模型准备（清理模型表面、刷脱模剂）。模型可由许多材料制成，包括木材、塑料、石膏、橡胶等。模型准备中最重要的是涂抹脱模剂。脱模剂在制模中的作用有两个：首先，它对喷涂到基体上的金属颗粒有粘结作用，否则金属颗粒将不能牢固地吸附在模具表面而易脱落；其次，防止金属涂层对模型的过热烧损、变形、粘附，起到隔热、脱模的作用。将脱模剂均匀地涂在模型表面，并使其干燥成膜。在模型上喷涂金属。待脱模剂干燥以后，在最佳的喷涂参数情况下，可以开始在模型上喷涂金属，喷涂时应保证使喷枪连续运动，防止涂层过热变形，涂层厚度一般可控制在23mm。制作模具框架。如果模具在工作中要受到内压力或模具必须安装在成型机上工作，模具必须有骨架结构且制成的骨架应带有填料。模具框架制作应注意两个问题：第一，使模具框架材料与涂层材料以及填料的热膨胀性能相匹配；第二，框架的外形尺寸及注射口的选择要根据具体的注塑机型号而定。浇注模具的填充材料。由于在塑料制品生产中，要求模具有良好的导热、散热能力，因此在选择浇注填充材料时，应使填充材料具有较高的热导率和较低的凝固收缩率，同时模具在一定的温度和压力下工作，所以要求填充材料应具有较高的抗压强度和耐磨性能。一般选择的填充材料为环氧树脂与铝粉、铝颗粒等金属粉末的混合物。环氧树脂使浇注材料与喷涂壳体、模具框架有很高的结合强度，有色金属粉末可以提高模具的导热性能，为提高模具的抗磨损性能可在填料中加入铁粉，另外在浇注填充材料时可安放冷却管，加强模具的散热性能。脱模、加工处理。如果在模型准备阶段做得比较合适，脱模不会很困难。脱模后要把残留在金属涂层表面的脱模计清洗干净。然后再根据不同的需要，可以对模具进行抛光等后期制作。18(2).电弧喷涂材料用于电弧喷涂制模的材料，在满足低熔点、低收缩率的情况下，应尽可能具有较好的力学性能和较致密的涂层组织。选择电弧喷涂材料时，既要考虑所得到的涂层具有足够高的硬度，良好的抗压、抗弯等力学性能，可以在实际中应用；又要兼顾涂层材料的熔点不要太高，因为对于Fe、Cu等高性能、高熔点的材料，喷涂过程中，由于热收缩的作用，金属涂层与模型界面之间存在很大的切应力，一方面使模型发生塑性变形，影响电弧喷涂模具的精度，另一方面，削弱金属涂层与模型表面的抗剪强度，使金属涂层剥落。涂层与模型表面之间的抗剪强度与模型表面的粗糖度有关，模型表面粗糙度较低，则涂层与模型之间的抗剪强度较低。实验发现，巨大的内应力致使模型表面根本无法形成厚涂层。釆用高熔点材料还有一大缺陷，即容易烧损模型表面，影响模具表面粗糙度。通过对涂层的显微组织分析，对涂层的硬度、抗拉、抗弯强度等力学性能的测试，常釆用Al、Zn基丝材做为喷涂材料。Al、Zn基丝材熔点比较低，喷涂时，涂层温度不高，因为不会烧损塑料基体；另外，Al、Zn基金属涂层韧性较好，喷涂过程中，由于热收缩产生的内应力，通过蠕变及产生微裂纹释放，以及模型表面回复收缩抵消，收缩应力大部分得以消除，特别是Zn涂层，内应力基本消除。同时，模型的收缩会使涂层微裂纹闭合，从而涂层不易变形、开裂，能够保证模具的尺寸精度，Al、Zn基丝材喷涂工艺性好，喷涂成的涂层组织细密，孔隙率低，涂层表面粗糙度低。这种涂层的显微硬度值在45HV左右，最大抗拉强度约为100MPa。目前市场提供的电弧喷涂用丝材有铝、锌、铜、镍、不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合丝等许多品种，但高熔点金属，如钢、镍、铜等在喷涂时涂层收缩率、热应力、孔隙率都比较大，涂层容易开裂、翘曲、剥落，所以目前只有低熔点的锌、铝丝材适合用于模具制造。纯铝喷涂时有飞溅现象，不易在光滑表面沉积，且沉积不均匀、气孔较多，所以尽管铝涂层硬度较高（6070HV），但在实际模具制造中很少采用。纯锌喷涂工艺性能好，熔滴发散性小、易沉积，能形成平直细密的层状组织，是目前普遍采用的喷涂制模材料。但锌涂层的硬度只有4050HV,所以用纯锌喷涂制造的模具应用范围受到较大限制。为了获得较高的涂层硬度和较好的喷涂工艺性，釆用锌铝合金和锌铝伪合金作为喷涂材料，可取得较好的结果。锌铝合金得到的涂层力学性能接近铝，喷涂工艺性能接近锌，非常适合制作金属喷涂模具。与锌铝合金相比，锌铝19伪合金不需制备专门的合金运材，故成本较低，适宜推广。表3-2为低、中熔点金属力学性能与物理性能的比较。在电弧喷涂模具制造中常用的Zn、Al等低熔点金属，一般力学性能都不好，Zn涂层组织最致密，表面质量好，A1涂层较稀松，Zn-Al伪合金涂层组织也较致密，A1涂层经喷砂强化，致密程度有所提高。表3-3为Zn、Al等涂层的性能比较。表3-2金属涂层材料的力学性能与物理性能材料抗拉强度/MPa弹性模量/GPa线膨胀系数/10-6K-1熔点/Zn608839382Al706226640Cu209128161084Fe539202171537表3-3电弧喷涂涂层强度、硬度及喷涂工艺性涂层空隙率（%）抗拉强度/MPa硬度HV喷涂工艺性Zn涂层0.630.646.5好Al涂层6.239.869.3一般Zn-Al涂层0.838.167.5好，简单Al涂层，喷砂0.942.380.6复杂国内电弧喷涂中采用的喷涂丝材直径主要有两个系列，一个是直径2mm系列,另一个为直径3mm系列。喷涂丝材直径不同，对送丝机构和喷枪设计将有不同要求，同时也将影响到喷涂和涂层性能。目前国产的喷涂丝材大多为直径3mm系列的，但直径3mm丝材喷涂的缺点是容滴雾化得粗大，大颗粒熔滴沉积将使涂层组织粗大，孔隙率增加，喷涂时热输入量大，涂层表面变得粗糙；涂层温度升高，涂层和基体以及涂层内部残余应力变大，大多数情况下这将使涂层的使用和加工性能变坏。因此直径3mm丝材适用于大面积的电弧喷涂作业中。直径2mm丝材喷涂涂层组织致密、涂层残余应力小、表面光洁、20抛光性能好，因而在电弧喷涂制模以及零件修复等领域将显示很大的优势。4快速成型技术的数据准备与处理4.1引言快速原型的制作需要前端的CAD数字模型来支持，也就是说，所有的快速成型制造方法都是由CAD数字模型来直接驱动的。来源于CAD的数字模型必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式而且在原型制作之前或制作过程中还需要进行叠层方向的切片处理。因此，在快速成型技术实施之前以及原型制作过程中需要进行大量的数据准备和处理工作，数据的充分准备和有效的处理决定着原型制作的效率、质量和精度。因此，在整个快速成型技术的实施过程中，数据的准备是必须的,数据的处理是十分必要和重要的。4.2CAD三维模型的构建方法目前，基于数字化的产品快速设计有两种主要途径：一种是根据产品的要求或直接根据二维图样在CAD软件平台上设计产品三维模型，常被称为概念设计；另一种是在仿制产品