贵州大学机械工程学院成型班平时整理快速成型与快速模具制造技术简介

1、快速成型与快速模具制造技术,学号1208030069 成型121,一、何为快速制造？目前有哪些主要方法？,背景介绍 当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本、高科技的方向发展，一方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、个性化和多元化；另一方面则是区域性、国际市场壁垒的淡化或打破，要求制造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。因此快速地将多样化、性能好的产品推向市场成为了制造业厂商把握市场先机的关键，由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定位，制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移，也就是各国致力于CIMS（ComputerIntegratedManuf

2、actureSystem）、并行工程、敏捷制造等现代制造模式的研究与实践的原因。快速成型（RapidPrototyping）技术正是在这种时代的需求下应运而生的。 快速成型技术RP是从零件的CAD几何模型出发,通过软件分层离散和数控成型系统,用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性。由于RP技术在制造产品过程中不会产生废弃物造成环境污染,所以也是一种绿色制造技术。,1.快速成型的原理及特点,快速成型技术采用离散/堆积成型原理，对三维CAD 模型进行分层，

3、使其转换成厚度很薄的二维平面模型。通过平面模型的数控代码指导加工，再将加工出每个薄层粘结而成形。主要包括如下几个主要步骤： （1） 产品CAD实体模型构建：构建方法有两种，一是可通过概念设计，设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型）；二是可通过逆向工程，通过三维数字扫描仪对产品原型进行扫描，而后结合逆向工程对扫描数据进行处理。 （2） 三维模型的分层处理：即按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元， 通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片。 （3） 层层制造堆积成型：根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码。 （

4、4） 后处理：由成形系统成形一系列层片并自动将 它们联接起来，得到一个三维物理实体。具体成型过程可见图1,快速成型的特点,计算机辅助设计与制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、材料去除成形、材料增加成形技术以及它们的集成的总称。正是由于它自身的成型原理决定该成型技术具有如下的一些特点： （1）产品灵活性。RP技术采用离散/堆积成型的原理，将十分复杂的三维制造过程简化为二维制造过程的叠加，使复杂模型直接制造成为可能，越是复杂的零件越能体现RP技术的优越性； （2）快速性。从CAD设计到完成原型制作通常只需几个小时到几十个小时，加工周期短，可节约70%时间以上，能够适应现代竞争激烈的产品市场； （

5、3）低成本。与产品的复杂程度无关，节省了大量的开模时间，一般制作费用降低50%，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产； （4）成型过程中信息过程和材料过程一体化，制作原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，尤其适合成型材料为非均质并具有功能剃度或有孔隙要求的原形； （5）适应于加工各种形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造（FreeFormFabrication），原型的复制性、互换性高；,快速成型的特点,（6）使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行，支持同步（并行）工程的实施； （7）具有高

6、柔性，采用非接触加工的方式，无需任何工夹具，即可快速成型出具有一定精度和强度并满足一定功能的原型和零件。 （8）高集成化，RP技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等一体化的先进制造技术，整个生产过程实现自动化、数字化、与CAD模型具有直接的关联，所见即所得，零件可随时制造与修改，实现设计制造一体化。 （9）加工过程中无振动、噪声和废料，可实现无人值守长时间自动运行。,2、快速制造成型的工艺方法,随着CAD建模和光机电一体化技术的发展，RP技术的工艺方法发展很快，按照所用材料的形态与种类不同，目前投入应用的已有十余种工艺方法，其中发展较为成熟的主要有以下四种类型:液态光敏聚合物

7、选择性固化(SLA)、薄型材料选择性切割(LOM)、粉末材料选择性激光烧结(SLS)、丝状材料选择性熔融沉积(FDM)。 (1)光固化立体造型(SLA)：以光敏树脂为原料，采用计算机控制下的紫外激光束以原型各分层截面轮廓为轨迹进行逐点扫描，使被扫描区内的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成制件的一个薄层截面。一层固化完毕后，向下移动工作台，在刚刚固化的工作表面布放一层新的光敏树脂以便进行循环扫描、固化。新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复堆积成整个原型，图2为该成型工艺原理图。采用这种方法成型的零件有较高的精度且表面光洁,但可用材料的范围较窄。,快速制造成型的工艺方法,(2)分层物件制

8、造(LOM)：LOM的层面信息通过每一层的轮廓来表示,激光扫描器的动作由这些轮廓信息控制,它采用的材料是具有厚度信息的片材，图3为该工艺的原理图。这种加工方法只需加工轮廓信息,所以可以达到很高的加工速度,但材料的范围很窄,每层厚度不可调整是最大缺点。 (3)选择性激光烧结(SLS)：SLS使用固体粉末材料,该材料在激光的照射下,能吸收能量,发生熔融固化,从而完成层信息的成型。这种方法适用的材料范围广(适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末),特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点。SLS无材料浪费现象,未烧结的粉末可重复使用。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉,用金属粉或陶瓷粉进行粘结或

9、烧结的工艺还正在实验阶段。,快速制造成型的工艺方法,(4)熔融沉积造型(FDM)：采用热熔喷头，使半流动状态的材料流体按模型分层数据控制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样逐层沉积、凝固后形成整个原型，具体工艺原理如图5所示。这种方法的能量传输和材料传输均不同于前面三种方法,系统成本较低;但由于喷头的运动是机械运动,速度有一定限制，所以加工时间较长,且其材料使用范围不广。,快速制造成型的工艺方法,(5)三维打印（3DP）：先铺粉，利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在粉层上的特定区域，粘结后去除多余的材料便得到所需的原形或零件。这种方法适合成型结构复杂的零件。 几种典型RP工艺的比较

10、,3、快速制造技术的应用,快速成型技术的应用是不断提高RP技术发展的重要因素，目前RP技术已在工业造型、文化艺术、机械制造（汽车、摩托车）、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛的应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用将不断拓展。 （1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。在新产品造型设计过程中应用RP 技术可以为设计开发人员建立一种崭新的产品开发模式，运用该技术能够快速、直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实体模型（样件），可以方便验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，及时发现设计中的问题并修改完善产品设

11、计。这样不仅大大缩短了开发周期，降低了开发成本，使企业在激烈的市场竞争中占有了先机。 （2）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。在机械制造领域里有些特殊复杂制件只需单件或少于50 件的小批量生产，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。RP 技术以自身独有的特点可以直接成型生产，成本低，周期短。 （3）产品展示。RP 原型是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。在全球经济经济化的今天，许多外向型企业都经常面临外商要求看样订货。如何在不可能开模试生产的情况下最快提供样品，抢占市场先机。 （4）快速模具制造。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提

12、高生产效,二、你所了解的快速制模？,背景知识 随着多品种小批量时代的逐步来临和企业要求模具能保证新产品快速占领市场，开发快速经济模具越来越引起人们的重视，例如用环氧聚脂或其中混入金属、陶瓷、玻璃等增强材料制作的快速软模，可用于上百件注塑成形以及汽车覆盖件试制。其主要特点是制造工艺简单、生产周期短、价格便宜。但由于材料的导热性和机械性能不高，这种模具难以用于快频率的批量注塑成形以及金属拉延件批量成形。水泥、陶瓷制作的汽车覆盖件模具还有待进一步改善。相比之下，由于金属材料具有优良的综合性能，金属模具低成本快速制造成为RPN技术的努力目标。世界先进工业化国家的RPM技术在经历了模型与零件试制、快速软

13、模制造阶段后，目前正向快速硬模即金属模具制造(RMT)方向发展，RMT已成为国际RPN技术应用研究开发的热点。,1、快速制造模具技术,快速制模技术是一种快捷、方便、实用的模具制造技术。这种技术的特点是：制模周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好。特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。 速制模方法大致有间接制模法和金属直接制模法。常用的快速制模方法有软模、桥模和硬模。 软模(soft tooling)通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯

14、，固化后即得到所需的零件。调整双组份聚氨酯的构成比例，可使所得到的聚氨酯零件的机械性能接近ABS或PP。 桥模(bridge tooling)通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。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，生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达1000-5000件，可满足中小批量生产的需要。,实际中应用的快速制模技术,1基于快速原型技术的制模方法。这种方法是基于新颖的离散/堆积（即材料累加）成型思想，利用立体光固化、叠层实体制、激光选区烧结、三维打印、熔融沉积成型等不同方法，获得长寿命的金属模具或非金属的低寿命模具。这种方法，具有技

15、术先进、成本较低、设计制造周期短等特点。 2采用高速切削加工模具。在生产中广泛应用的高速切削机床转速在每分钟1525万转左右。利用高速切削可以使加工效率提高10倍以上，可大大缩短制模时间。经高速切削精加工后的模具型面，仅需略加抛光便可使用，省却了大量修磨抛光时间。 3.采用铝合金材料制造塑料模。铝合金材料以其重量轻、切削性能好、导热导电率高等优良性能，在塑料模的制造中得到了越来越多的应用。使用铝合金材料制作模具，可在缩短制模周期和降低成本方面取得良好的效果。国外已有专门的厂家生产用于塑料模的铝合金材料。用铝合金制造的塑料模，使用寿命可达十万次，如果型腔表面进行化学处理，使用寿命可达2O3O万次。,实际中应用的快速制模技术,4采用锌基低熔点含金制造模具。用低熔点合金制作模具，具有成本低、制模周期短等优点，这种制模方法已有多年的历史了，至今仍在快速制模技术中发挥着重要作用。特别是这种制模方法与快速原型技术相结合，使用效果十分显著。采用低熔点合金的快速制模方法，特别适用于大型覆盖件模具和大型吹塑、吸塑模具的快速制造。用于覆盖件模具时，一是可以快速生产出样品；二是为正式的硬模制作实验，可以避免造成难以弥补的缺陷。利用低熔点合金制作的吸塑、吹塑模具，使用寿命可达5万件。这种