《快速模具制造技术》PPT课件

快速模具制造技术（Rapidtooling，RT）通过RP技术用直接或间接的方法快速、准确地制造所需模具的过程。,快速模具制造技术及其分类,快速模具制造技术及其分类,RT分类,直接法-利用RP技术直接制造出模具本身。间接法-利用快速成型件作母模或过渡模具，再通过传统的模具制造方法来制造模具。,快速模具制造技术及其分类,RT,快速模具制造技术及其分类,软质模具制造,硬质模具制造,应用：批量小、品种多、改型快的产品制造方法：硅橡胶浇注法、金属喷涂法、树脂浇注法生产制品数量：505000件,应用：大批量的产品制造方法：熔模铸造法、陶瓷型精密铸造法生产制品数量：上万乃至几十万件,直接快速制模法(DirectRapidTooling,DRT),1、软模技术采用各种快速成型技术直接将CAD模型(虚拟模型)转换为具有一定机械性能的非金属的原型(物理模型)，在许多场合下可作为软模具使用，用于小批量塑料零件的生产。,SLA,真空吸塑模（塑料杯、包装盒）,快速模具制造技术及其分类,直接快速制模法(DirectRapidTooling,DRT),2、准直接快速制模技术通过RP技术生产的模具还需要较多的后续工作才能用于工件的生产，其主要方法：,包有粘结剂的金属粉(SLS)金属悬浮液(SLA)带有金属粒子的塑料丝(FDM),半成品,粘结剂的去除和渗金属等后续工艺,模具,快速模具制造技术及其分类,直接快速制模法(DirectRapidTooling,DRT),3、直接快速制模技术,成型件表面后处理,SLS：金属粉末烧结成型,模具（作为注塑模、压铸模、锻模使用）,直接制造金属模具,LOM：金属箔,FDM：不锈钢丝,快速模具制造技术及其分类,直接快速制模法(DirectRapidTooling,DRT),3、直接快速制模技术,直接制造铸造用模,FDM、SLS：蜡丝或蜡粉,精铸用蜡模,SLA、LOM、FDM、SLS,树脂消失模,大大缩短了制模时间，且快速成型的原型水平远比木模要高，强度和尺寸稳定性也优于木模。特别是对于难以加工、需要多种组合的木模，RT优点更为突出。,SLA、LOM、FDM、SLS,树脂原型,砂型铸造用木模,代替,快速模具制造技术及其分类,间接快速制模法(IndirectRapidTooling,IRT),1、通过RP方法成型一个原型，再基于该模型用软质制模材料翻制出模具。（软质模具）2、通过RP技术生产铸模(蜡模、消失模)和铸型(砂型或壳型)，再结合铸造技术生产金属模具。（硬质模具）,快速模具制造技术及其分类,当制造的零件件数较少（批量在2050件）时，一般采用以RP原型作母模，采用有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度（甚至有一定倒拔模斜度）以及具有深凹槽的零件，制件浇注完成后可直接取出。,(一)硅橡胶快速制模技术,应用：快速、容易而廉价地小批量生产各种塑料零件和石蜡模型。特点：制作生产周期为1周左右成本为钢模的1/151/20,(一)硅橡胶快速制模技术,(一)硅橡胶快速制模技术,产品三维造型,硅橡胶快速制模工艺路线,STL文件格式,快速制造原型,硅橡胶模具,产品制造,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶快速制模工艺路线,1、RP原型的制造,（1）RP原型的设计（制造原型时的各种收缩变形、原型的表面后处理余量）（2）RP原型的制造（3）RP原型后处理（打磨、抛光、喷漆等）,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶快速制模工艺路线,2、硅橡胶模具制造（P169：图5-4）,3、注型件制造,(一)硅橡胶快速制模技术,实例1,(一)硅橡胶快速制模技术,实例2,(一)硅橡胶快速制模技术,实例2,(一)硅橡胶快速制模技术,实例2,(一)硅橡胶快速制模技术,实例2,(一)硅橡胶快速制模技术,实例2,(一)硅橡胶快速制模技术,实例2,(一)硅橡胶快速制模技术,实例2,(一)硅橡胶快速制模技术,实例2,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶,硅橡胶是一种由氧和硅交联成的聚合物制成的独特的合成弹性体，Si-O-Si键是其构成的基本键型。硅橡胶按其硫化温度，分为高温（加热）硫化型（HTV）、室温硫化型（RTV）两大类。高温胶主要用于制造各种硅橡胶制品室温胶主要作为粘接剂、灌封材料或模具使用,(一)硅橡胶快速制模技术,用作硅橡胶模具的硅胶材料要求：具有较短的固化时间较高的强度和硬度较强的抗撕裂性能线收缩率越小越好硅橡胶不能与酸碱反应,硅橡胶,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶快速制模的若干问题,1、型框尺寸,型框壁、底面距RP原型：20mm侧挡板高度=RP原型高度+90mm（留出50mm，防止脱泡时硅胶溢出）,2、分型面,通常选取投影面积最大的面对于高薄壁件，尽量将其整体置于同一半模中。,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶快速制模的若干问题,3、型框形状,一般：方形、正方形特殊：按原型形状搭建型框（随形型框）,4、浇道的位置和方向,避免大面积平面形状置于型腔最高位置,(一)硅橡胶快速制模技术,经济型硅橡胶快速制模工艺方法,传统的快速硅橡胶模具制造过程中存在相当严重的硅橡胶浪费现象,(一)硅橡胶快速制模技术,经济型硅橡胶快速制模工艺方法,a.安放原型贴橡皮泥或黏土。对原型进行必要的清理和处理后放置在平板上固定好，制作并固定模框，在原型表面贴橡皮泥或黏土层。b.浇石膏背衬。将配好的石膏浆浇注到模框中。,(一)硅橡胶快速制模技术,经济型硅橡胶快速制模工艺方法,c.去掉橡皮泥或黏土层,并清理型腔。d.硅橡胶浇注。将硅橡胶调配均匀，真空脱泡后浇注硅胶，在室温下充分固化。e.取出原型，清理型腔并制作另一半模。,(一)硅橡胶快速制模技术,经济型硅橡胶快速制模工艺方法,适于经济型硅胶模的母模结构特征,(一)硅橡胶快速制模技术,经济型硅橡胶快速制模工艺方法,适于经济型硅胶模的母模结构特征,(一)硅橡胶快速制模技术,经济型硅橡胶快速制模工艺方法,适于经济型硅胶模的母模结构特征,硅橡胶模具的应用,(一)硅橡胶快速制模技术,中小批量注塑件的生产(可缩短新产品开发周期、减少开发费用、降低开发风险),硅橡胶模具的应用,(一)硅橡胶快速制模技术,对各种原型（快速成形制作的原型件或现有的木材、塑料、金属材质等零件）制作硅橡胶模具，并在真空注型机中快速浇注出无气泡、组织致密的塑料产品。,(一)硅橡胶快速制模技术,MINI式真空注型机,上海坤融机电科技有限公司,硅橡胶模具的应用,通过制作RP模型，采用硅橡胶模翻制ABS塑料样件，云南光学仪器厂快速地实现了新产品开发，含RP原型，制作生产周期为6天。,望远镜外壳快速模具制作案例(云南光学仪器厂),(一)硅橡胶快速制模技术,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶模具的应用,佛头线圈模具,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶模具的应用,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶模具的应用：汽车样件快速试制,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶模具的应用：汽车样件快速试制,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶模具的应用：汽车样件快速试制,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶模具的应用：汽车样件快速试制,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶模具的应用,产品制作流程,(一)硅橡胶快速制模技术,硅橡胶模具的应用,产品制作流程,视频,(二)电弧喷涂快速制模技术,当模具要求的寿命在3000件以下时，一般采用以RP原型作母模，将低熔点的熔化金属（如锌铝合金）充分雾化后以一定的速度喷射到母模的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料，制作锌铝合金软模具。特点：简单，周期短，型腔表面及其精细花纹一次同时形成。其制作周期为12周，成本为数控法加工钢模的1/31/5。,以两根分别连接直流电源正负极的金属丝作自耗性电极，利用其端部产生的电弧将金属丝熔化，处于电弧正后方的喷嘴射出高速、高压空气使熔化的金属脱离且雾化成微粒，并以极高速度撞击基体表面，形成光滑、致密、低气孔率的金属涂层。,电弧喷涂的基本原理,(二)电弧喷涂快速制模技术,模具的型腔表面,(二)电弧喷涂快速制模技术,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂快速制模工艺流程,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂快速制模工艺过程,1、RP原型（母模）的制造,2、RP原型（母模）的预处理,清理模型表面,刷脱模剂,提高涂层与表面的附着力，防止金属颗粒的脱落。能使涂层顺利与模型基体脱开。隔热作用。,聚乙烯醇：良好的成膜性能、耐高温、易清洗（水溶性）,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂快速制模工艺过程,3、在模型上喷涂金属，形成金属壳,需控制：,喷涂环境,喷涂厚度,喷涂均匀性,23mm,壳体表面的应力应变分布,模型表面温度,（喷涂降温（压缩空气吹模型表面）喷涂）,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂快速制模工艺过程,3、在模型上喷涂金属，形成金属壳,喷涂工艺参数及其选择,电源电压,使涂层获得较高强度、硬度、较小孔隙率等性能,喷涂电流,压缩空气压力与流量,喷涂距离,喷涂角度,喷枪移动速度,送丝速度,模具型腔质量,喷涂生产率,金属涂层的致密程度,涂层质量、喷涂的成败,金属微滴沉积率、涂层组织的疏松度,涂层厚度,金属微滴沉积率、涂层温度,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂快速制模工艺过程,4、制作模具框架,5、浇注填充材料,材料性能要求,良好流动性较高导热率、较低收缩率与喷涂金属壳体有相近的热膨胀系数具有较高的抗压强度等力学性能,最常用：环氧树脂+铝粉,结合作用,提高模具力学性能、热性能,模具体积，铝粉比例,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂快速制模工艺过程,6、脱模（凸、凹模型腔与母模的分离）,7、后处理,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂设备,CMD-AS1620型电弧喷涂设备,电弧喷涂枪控制箱电源送丝装置压缩空气系统,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,(1)锌及锌合金锌:在大气或水中具有良好的耐腐蚀性，对钢铁基材具有电化学保护作用。而在酸、碱、盐中不耐腐蚀。在锌中加入铝可以提高喷涂后的耐腐蚀性能。,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,(1)锌及锌合金锌喷涂层已广泛应用于室外露天的钢铁构件，如水门闸、桥梁、铁塔和容器等。,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,(2)铝及铝合金铝可用作防腐喷涂层，比重轻，价格低廉，在含有二氧化硫的气氛中耐腐蚀效果比较好。在铝及铝合金中加入稀土元素不仅可以提高涂层的结合强度而且可以降低孔隙率。铝还可用作耐热喷涂层。铝在高温作用下，能在铁基体上扩散，与铁发生作用生成抗高温氧化的Fe3Al，从而提高钢材的耐热性。,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,(2)铝及铝合金铝涂层己广泛应用于贮水容器、硫磺气体包围中的钢铁构件、食品贮存器、燃烧室、船体和闸门等。,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,(3)铜及铜合金纯铜主要用作电器开关和电子元件的导电喷涂层及人像、工艺品、水泥等建筑表面的装饰喷涂层。黄铜喷涂层广泛用于修复磨损及加工超差的零件，修补有铸造砂眼、气孔的黄铜件，也可作为装饰喷涂层使用。铝青铜涂层的结合强度高，抗海水腐蚀能力强，并具有很好的耐腐蚀疲劳和耐磨性。主要用于喷涂水泵叶片、气闸阀门、活塞、轴瓦表面。,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,(4)镍及镍铬合金镍铬合金具有很好的抗高温氧化性能，可在800高温下使用，是日前应用很广的热阻材料。镍铬涂层可以耐水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、氨、醋酸及碱等介质的腐蚀，镍铬合金被大量用作耐腐蚀及耐高温喷涂层。,锅炉管道,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,(5)碳钢和低合金钢具有强度较高、耐磨性好、价格低廉等特点。电弧喷涂过程中碳和合金元素易烧损，易于造成涂层多孔和氧化物夹渣，使涂层性能下降，因此采用碳元素较高的碳钢，以弥补碳元素的烧损。,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,(6)粉芯丝材由金属外皮包裹着一定粒度的不同类型的金属、合金粉末或陶瓷粉末等构成的，兼备实心丝材及合金粉末喷涂材料的优点(耐磨、具有良好的抗高温稳定性）。,(二)电弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂材料,铝：涂层硬度较高锌：喷涂工艺性好铝锌合金等丝材,适合模具制造的电弧喷涂材料,低熔点,通过制作滴头RP模型，采用金属喷涂制模法制作锌铝合金软模具，注塑成型1000件滴头产品，用于农业节水灌溉试验。新产品的试制，含RP原型，制作生产周期为2周。,滴头快速模具制作案例（国家节水灌溉中心）,应用案例1,(二)电弧喷涂快速制模技术,应用案例2,(二)电弧喷涂快速制模技术,西安交通大学利用电弧喷涂成型快速制模技术先后为国内汽车制造企业完成了三个车型共计42副汽车样车覆盖件试制模具的制作，单副模具制作样件数量超过120件，成本低、速度快，获得了服务企业的好评。,汽车覆盖件样件快速制造工艺流程,应用案例2,(二)电弧喷涂快速制模技术,模具尺寸为1800600850mm。母模采用石膏型母模，模具型壳材料采用锌铝合金，背衬采用金属粉填充环氧树脂以及高强度水泥制作。,金属喷涂模具及汽车覆盖件样件快速制造工艺流程,(三)环氧树脂快速制模技术,将液态的环氧树脂与有机或无机复合材料作为基体材料，以原型为基准浇注模具的一种间接制模方法，通常可直接进行注塑生产。,工艺过程（P195：图5-29）:1.制作原型、表面处理2.设计及制作模框3.在原型表面及分型面刷脱模剂4.浇注凹模5.浇注凸模6.脱模7.模具修整、组装,(三)环氧树脂快速制模技术,(三)环氧树脂快速制模技术,制模材料：良好流动性、低固化收缩率,环氧树脂+固化剂（降低固化温度）+稀释剂（降低粘度）+填料（铝粉、铁粉、石英粉、滑石粉等）（提高所制模具的力学性能）,采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达1000件5000件，可满足中小批量生产的需要。,(三)环氧树脂快速制模技术,(三)环氧树脂快速制模技术,从国内、外环氧树脂模具实际应用统计，环氧树脂适合于制作以下几种类型的模具：冷压模具：弯曲模、拉延模、落锤模、铸造模等；热压模具：塑料注射模、注腊模、吹塑模、吸塑模、泡沫成型模、皮塑制品成型模等。,环氧树脂模具的应用,(三)环氧树脂快速制模技术,环氧树脂模在塑料成形中的应用,热注射成形模（又称注塑模）由型芯与型腔（由动模和定模组成）、浇注系统和冷却系统等组成。其中，型芯与型腔部分最复杂、加工最困难，可用铝填充环氧树脂模制造，而浇注系统和冷却系统等部分为标准结构，可另嵌入，构成组合模。这种模具的适合生产批量为20500件。,(三)环氧树脂快速制模技术,环氧树脂模具在金属板材拉深成形中的应用,环氧树脂可用于制造大型拉深成形模，这种模具可以拉深0.8mm的钢板或2mm以下的铝板，寿命在万次以上不磨损，在凸凹模的刃口部嵌以钢带则效果更好。,制造过程：采用SLA快速成形工艺制作原型（型腔和型芯）；翻制硅橡胶过渡模；在过渡模中浇注A6工具钢粉、碳化钨粉和粘合剂的混合物，在常温下固化后，获得半成品的模坯；在有保护气体的加热炉中烧结，获得70密度的模坯；在真空炉中渗入铜合金接近100密度；打磨抛光即可获得大批量生产用的工具钢模具。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,1.Keltool快速制模技术,3DKeltool氢气烧结炉,(四)金属钢质硬模快速制造技术,1.Keltool快速制模技术,优点：碳化钨颗粒很细，模具型芯和型腔的表面质量很好，表面粗糙度Ra值为2025m，并能够抛光至镜面。碳化钨颗粒的硬度高，模具表面硬度可达45-50HRc，大大提高了模具的耐磨性，延长了模具的使用寿命。对于一般工程塑料，使用寿命可达100万次以上。由于含有30的铜，导热性能比传统的工具钢好，能缩短注塑循环时间，提高生产率。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,1.Keltool快速制模技术,缺点：必须有尺寸较精确而且稳定的母模才能制造高精度的模具，受到SLA快速成形技术的限制，尺寸精度为0.04mm。材料价格较贵，运作成本高。模具制造周期较长。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,1.Keltool快速制模技术,应用,(四)金属钢质硬模快速制造技术,2.RapidTool快速制模技术,间接金属粉末烧结制模DTM公司开发的基于SLS工艺的快速制模技术,(四)金属钢质硬模快速制造技术,2.RapidTool快速制模技术,1）复杂模具设计,利用现有三维cad软件先在烧结站上建造原型，进行测试将原型设计转成模具设计模具镶件可达六寸宽、十寸高将设计转换为.stl格式，输入sinterstation2500烧结站,(四)金属钢质硬模快速制造技术,2.RapidTool快速制模技术,2）制模,烧结站2500中央处理器将cad模型切片根据切片模型，将rapidsteel粉末（聚合物粘结剂预包裹的低碳钢粉粒）进行激光烧结，烧结出模具的样件。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,2.RapidTool快速制模技术,3）熔炉处理,将样件放进聚合物溶液中进行初次浸渗；放入熔炉中，将样件内的聚合物蒸发；渗铜，得到全致密模具。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,2.RapidTool快速制模技术,应用,(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,也称为直接金属粉末激光烧结制模(DirectMetalLaserSinteringDMLS),(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,DMLS工艺是德国EOS公司首先推出的，其代表机型为EOSINTM250Xtended。它可以从CAD文件直接制造注射模模芯、压铸模和金属零件。材料采用新型钢基粉末DirectMetal20。制成的模具或零件的精度很高，一般仅需进行简单而短暂的微粒喷丸处理，无需抛光就可以作为注射模。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,Target：PlasticParts,DirectPartDirectPatternDirectTool,(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,DirectToolExamples,(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,DirectToolExamples,(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,DirectToolExamples,3.DirectTool快速制模技术,(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,(四)金属钢质硬模快速制造技术,3.DirectTool快速制模技术,(四)金属钢质硬模快速制造技术,(四)金属钢质硬模快速制造技术,4.LENS工艺,又称之为激光粉末熔接、激光粉末淀积、直接金属淀积或粉末金属淀积，和激光焊接、激光表面喷涂类似。,LaserEngineeredNetShaping,SandiaNationalLaboratory研究开发,(四)金属钢质硬模快速制造技术,4.LENS工艺,用一种高能激光，在基底表面产生一个小的熔化池，同时金属粉送进系统向熔池喷射金属粉。金属颗粒熔融并与基底金属接合，形成固有层。通过这样一层一层的叠加，得到金属模具。,LaserEngineeredNetShaping,(四)金属钢质硬模快速制造技术,4.LENS工艺,美国新墨西哥州阿尔伯克基(Albuquerque)的Optomec公司，在Sandia国家实验室完成的研究的基础上，创造了它的激光设计净形(LENS)系统。激光设计净形(LENS)系统的首个商业版在1998年发货。Optomec公司于1998年和1999年分别推出了LENS-50、LENS-1500机型。原料：钢、钢合金、铁镍合金、钛钽合金和镍铝合金。其生产的金属零件强度超过了传统方法生产的金属零件，一般用来制造高精度铸模。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,4.LENS工艺,(四)金属钢质硬模快速制造技术,4.LENS工艺,最近几年，美国军方在阿拉斯加州安尼斯顿(Anniston,Ala.)的安尼斯顿军需库已经使用了一个Optomec系统，用于修理AbramsM1坦克的汽轮机零件。Optomec主要重点是航天航空工业，但也供应其它应用系统。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,5.ExpressTool快速制模技术,制造有共形冷却道的电铸镍铜壳模，批量生产注塑件。先在母模表面电铸镍壳，然后在其背面设置共形冷却道，再电铸铜壳，并浇注背衬的模具。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,5.ExpressTool快速制模技术,由Hasbro公司率先开发，注册专利为ExpressToolTM。技术特征：采用两层不同的金属形成外壳，以及在背面布置共形冷却道，迅速使成型过程的热量扩散。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,5.ExpressTool快速制模技术,工艺过程（P212：图6-16）,原型制作与涂覆电铸镍层（原理）设置共形冷却道电铸铜层浇注背衬取原型，得到型腔。制作型芯，与模架等装配。,使原型可以导电,进一步提高导热性能、抗压强度，线膨胀系数接近镍铸层。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,5.ExpressTool快速制模技术,返回,(四)金属钢质硬模快速制造技术,5.ExpressTool快速制模技术,返回,其截面形状可为圆、椭圆等。这种冷却道不仅能提高冷却效率，缩短注射循环周期3050，而且可显著缩小模面上的温差，减小工件中的内应力与翘曲变形，提高工件的品质。,共形冷却道(ConformalCoolingChannel，简称CCC)的布置与注塑件的主轮廓形状近似。,(四)金属钢质硬模快速制造技术,5.ExpressTool快速制模技术,返回,(四)金属钢质硬模快速制造技术,5.ExpressTool快速制模技术,返回,ExpressTool模常用