弯曲模3D打印快速制造技术研究

弯曲模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。作为一种综合性应用技术，其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。据统计，工业产品的70%80%要靠模具生产，模具已成为当代工业生产的重要工艺装备。随着经济全球化的发展，企业间竞争的进一步加剧，多品种、小批量将成为主要的生产模式。本文分析了冲压模具的传统制造工艺和3D打印快速制造技术在模具制造中各自的优缺点，应用3D打印设备打出了一套弯曲模具的主要零件，并对打印过程中影响零件质量各种因素进行了分析研究。关键词：3D打印技术，模具，快速成型Studyonrapidmanufacturingbendingdie3DprintAbstract:The3Dprintingtechnologyisrefersthroughthecontinualphysicallevelsuperimposition,thecascadeincreasematerialproducesthethreedimensionalentity.Asonecomprehensiveapplicationtechnology,itsynthesizedthenumeralmodelingtechnology,themechanicalandelectricalcontroltechnology,theinformationtechnology,thematerialsscienceandchemistryandsoonmanyaspectfronttechnicalknowledges,hastheveryhightechnologycontent.Statisticshaveindicated,theindustryproduct70%-80%mustdependonthemoldproduction,themoldhasbecomethepresentageindustrialproductiontheimportantcraftequipment.Alongwiththeeconomicalglobalizationdevelopment,thefurtheraggravatingwhichtheenterprisecompetes,themulti-varieties,thesmallbatchwillbecomethemainproductionpattern.Thispaperanalyzesthetraditionalmanufacturingprocessand3Dprintingstampingdiemanufacturingtechnologyinmouldmanufacturingintheirrespectiveadvantagesanddisadvantages,andapplicationof3Dprintingequipmentplayedamajorpartofthebendingdie,andtheinfluenceofvariousfactorsintheprocessofprintingqualityofthepartswereinvestigated.Keywords:The3Dprintingtechnology,Mold,RapidPrototypingManufacturing目录1绪论11.1弯曲模的概念及工作原理21.2快速成型技术的早期发展31.3快速成型技术的优越性423D打印快速成型制造工艺62.1引言62.2立体光刻成型（StereoLithographyApparatus，SLA）62.2.1立体光刻成型的基本原理62.2.2立体光刻成型的特点72.2.3立体光刻成型的材料82.3分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing,LOM)82.3.1分层实体制造的基本原理82.3.1分层实体制造的特点92.3.1分层实体制造的材料102.4激光选区烧结工艺（SelectiveLaserSintering,SLS）102.4.1激光选区烧结的原理102.4.2激光选区烧结的特点122.4.3用于激光选区烧结的材料122.5熔融沉积成型（FusedDepositionModeling，FDM）132.5.1熔融沉积成型的原理132.5.2熔融沉积成型的特点142.5.3熔融沉积成型的材料143快速模具制造工艺163.1引言163.2典型快速成形工艺方法163.3.1直接制造金属模具173.3.2间接制造金属模具174快速成型技术的数据准备与处理214.1引言214.2三维模型的构建214.2.1产品设计214.2.2逆向反求工程224.3使用软件介绍234.3.1.Pro/Engineer软件234.3.2.Pro/Engineer软件的部分指令和应用244.4相关的数据文件275弯曲模具的3D打印制造285.1弯曲模的结构285.23D打印熔融快速成型的工作原理325.33D打印的材料335.4采用3D打印的工艺过程335.53D打印技术制造模具的优点34结论36参考文献37致谢391绪论模具是在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具。广泛用于冲裁、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金件压制、压力铸造，以及工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的压塑或注塑的成形加工中。模具具有特定的轮廓或内腔形状，应用具有刃口的轮廓形状可以使坯料按轮廓线形状发生分离(冲裁)。应用内腔形状可使坯料获得相应的立体形状。模具一般包括动模和定模(或凸模和凹模)两个部分，二者可分可合。分开时取出制件，合拢时使坯料注入模具型腔成形。模具是精密工具，形状复杂，承受坯料的胀力，对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有较高要求，模具生产的发展水平是机械制造水平的重要标志之一。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。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弯曲模的概念及工作原理弯曲是根据零件形状的需要，通过模具和压力机把毛坯弯成一定角度，一定形状工件的冲压工艺方法。弯曲是冲压的基本工序之一，在冲压生产中占有很大的比重。根据弯曲成形所用的模具及设备的不同，弯曲的方法可以分为压弯、拉弯、折弯、滚弯等。但最常见的是在压力机上进行压弯。弯曲成形工艺在工业生产中的应用：应用相当广泛，如汽车上很多履盖件，小汽车的柜架构件，摩托车上把柄，脚支架，单车上的支架构件，把柄，小的如门扣，夹子（铁夹）等。弯曲的基本原理：以V形板料弯曲件的弯曲变形为例进行说明。其过程为：(1)凸模运动接触板料（毛坯）由于凸,凹模不同的接触点力作用而产生弯短矩，在弯矩作用下发生弹性变形，产生弯曲。(2)随着凸模继续下行，毛坯与凹模表面逐渐靠近接触，使弯曲半径及弯曲力臂均随之减少，毛坯与凹模接触点由凹模两肩移到凹模两斜面上。（塑变开始阶段）。(3)随着凸模的继续下行，毛坯两端接触凸模斜面开始弯曲。（回弯曲阶段）。(4)压平阶段，随着凸凹模间的间隙不断变小，板料在凸凹模间被压平。(5)校正阶段，当行程终了，对板料进行校正，使其圆角直边与凸模全部贴合而成所需的形状。1.2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。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。(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。23D打印快速成型制造工艺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工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，其中立体光刻成型法（SLA)、分层实体制造法（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立体光刻成型（StereoLithographyApparatus，SLA）2.2.1立体光刻成型的基本原理立体光刻的基本原理是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。SLA是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。其工艺过程为图2.1SLA工艺原理图首先，通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；其次，激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后，升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型，最后，将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。2.2.2立体光刻成型的特点（1）SLA技术的优势光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，经过时间的检验。由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。使CAD数字模型直观化，降低错误修复的成本。为实验提供试样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。可联机操作，可远程控制，利于生产的自动化。（2）SLA技术的缺陷SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高。SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高。软件系统操作复杂，入门困难；使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。2.2.3立体光刻成型的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。（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。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。2.3分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing,LOM)2.3.1分层实体制造的基本原理薄片分层实体制作是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作X和Y方向的移动。供料机构将地面涂有热溶胶的箔材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段的送至工作台的上方。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将纸的无轮廓区切割成小碎片。然后，由热压机构将一层层纸压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个纸厚，以便送进、粘合和切割新的一层纸。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。图2.2LOM工艺原理图分层实体制作快速原型工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，成型时间较短，激光器使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。且由于制成的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸造模。2.3.1分层实体制造的特点(1)分层实体制造（LOM）优点如下成型速度较快。由于只需要使用激光束沿物体的轮廓进行切割，无须扫描整个断面，所以成型速度很快，因而常用语加工内部结构简单的大型零件。原型精度高，翘曲变形小。原型能承受高达200摄氏度的温度，有较高的硬度和较好的力学性能。无需设计和制作支撑结构。可进行切削加工。废料易剥离，无须后固化处理。可制作尺寸大的原型。原材料价格便宜，原型制作成本低。(2)分层实体制造（LOM）的缺点不能直接制作塑料原型。原型的抗拉强度和弹性不够好。原原型易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理。原型表面有台阶纹理，难以构建形状精细、多曲面的零件，因此，成型后需进行表面打磨。2.3.1分层实体制造的材料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。2.4激光选区烧结工艺（SelectiveLaserSintering,SLS）2.4.1激光选区烧结的原理激光选区烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉等与粘结剂的混合粉）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆集成三维实体的快速成型方法。图2.3SLS工艺原理图在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点一下。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5-10小时冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件。粉末材料选择性烧结工艺适合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，成型时间较长。此外，由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后，须将它置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理复杂。粉末材料选择性烧结快速原型工艺适合于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。由于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，但由于成型表面较粗糙，渗铜等工艺复杂，所以有待进一步提高。2.4.2激光选区烧结的特点（1）激光选区烧结（SLS）优点可以采用多种材料。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。过程与零件复杂程度无关，制件的强度高。材料利用率高，为烧结的粉末可重复使用，材料无浪费。无须支撑结构。与其他成型方法相比，能生产较硬的模具。（1）激光选区烧结（SLS）的缺点原型结构疏松、多孔，且有内应力，制作易变性。生成陶瓷、金属制件的后处理较难。需要预热和冷却。成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。成型过程产生有毒气体及粉尘，污染环境。2.4.3用于激光选区烧结的材料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，SLS工艺采用的粉末粒度一般在50125m之间。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。2.5熔融沉积成型（FusedDepositionModeling，FDM）2.5.1熔融沉积成型的原理熔融沉积成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。图2.4的工艺原理图这种工艺不用激光，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。2.5.2熔融沉积成型的特点（1）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。（2）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。（3）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。(4)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。2.5.3熔融沉积成型的材料FDM技术的关键在于热融喷头，喷头温度的控制要求使材料挤出时既保竽一定的形状又有良好的粘结性能。除了热熔喷头以外，成型材料的相关特性(如材料的粘度、熔融温度、粘结性以及收缩率等）也是FDM工艺应用过程中的关键。（1）材料的粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成型精度。（2）材料熔融温度。熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。（3）粘结性。FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时在成型过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。（4）收缩率。由于挤出时，喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利挤出，挤出后材料丝一般会发生一定程度的膨胀。如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成喷头挤出的材料丝直径与喷嘴的名义直径相差太大，影响材料的成型精度。FDM成型材料的收缩率对温度不能太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。3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。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%。3.2典型快速成形工艺方法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、激光选区烧结法、分层实体法、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。3.3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。3.3.1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。(1)直接制作铸造型壳、渗金属用激光选区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。(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。3.3.2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。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。(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。(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。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。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。3.3.3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。（1）直接制造注塑模、型腔模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(如玩具和鞋模)。（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）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。（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