模具的快速成型与快速制模技术.docx

1、模具的快速成型与快速制模技术第6章 模具的快速成型及快速制模技术 随着生产技术的进步，新材料和先进设备的出现，使市场竞争日趋激烈。各个生产厂家为缩短产品的研发、生产周期，降低生产成本和风险，使得快速成型及快速制模技术在生产中逐步得到了应用。快速制模技术包括传统的低熔点合金模、电铸模具的制造技术和以快速成型技术（Rapid Prototrping，RP）为基础的快速制模技术。这里介绍后种快速制模技术。快速成型技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造技术已逐步适应。制造业利用这种现代化制造手段与传统制造技术的接轨的工作也进展顺利。有效地结合数控加工、铸

2、造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段，使快速成型技术已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段。在航空航天、汽车摩托车、家电、医疗器械等领域得到了广泛应用。6.1快速成型制造技术的基本原理与特点6.1.1快速成型制造技术的基本原理1.快速成型制造技术的概念快速成型制造技术（Rapid Prototyping & Manufacturing，RPM），在20世纪80年代中期由欧美、日本等发达工业国家提出，旨在解决常规机械加工或手工无法解决的问题。快速成型制造技术是多学科、技术的交叉产物，融合了机械工程、材料科学、计算机技术、数控原理、光学技术等前沿技术。全世界大约有数百家专门研究进行这方面的研究。快

3、速成型制造技术可以实现低成本、高生产率和短周期的生产特点。同时，从设计和工程的角度出发可以设计形状复杂的零件，无需受时间、成本、可制造性方面的限制，如图6.1.1所示。图6.1.1快速成型技术制造的产品根据材料的分离形式把快速成型分为两类：1）材料去除成形 多余的材料（工艺余料）从基体上分离出去从而得到想要加工的模型形状，它是当前的主要加工方式，也是用得最为广泛的加工方法。2）材料堆积成形 将材料通过合理的工艺方法堆积出想要加工模型。该模型的堆积过程是在计算机的控制下完成的，因此成型的模型形状在理论上可以任意复杂。图6.1.2为快速成型制造技术所涉及的主要工艺和设计容 模型的原件 采集数据电云

4、 产品逆向工程 薄片/层资料 输入 CAD模型（曲面、实体） IGES、STL、CLI等模型文件 形态分类：薄片、颗粒、线、粉末、液体 材料 按材质分类：纸、树脂、尼龙 、塑料、陶瓷 设计 应用 工程与分析 应用行业：航空、航天、汽车、医疗、消费产品 加工与制造 单激光光束 光硬化 双激光光束 方法 光罩曝光 剪切与粘结 熔接于固合 黏着图6.1.2快速成型技术的主要容2.快速成型技术的基本原理快速成型（RP）一般来讲是属于堆积成形，通过离散的区域得到堆积的约束、路径及方法，通过材料叠加堆积而形成三维实体模型。快速成型技术（RPT）将CAD、CAM、CNC、伺服反馈技术、光电子技术、新材料等技

5、术集于一体，依据CAD系统构建的三维模型，进行分层切片处理，得到各层切面的轮廓。得到的轮廓再作为原始加工数据，激光束按照相应的轮廓切割一层一层的粉末材料（或固化的一层一层液态树脂，或一层一层的纸料）。也可以是喷头按照轮廓喷射一层一层的粘结剂或热熔材料（如塑料），从而形成各个切面并逐步累加得到三维模型的产品。它将复杂的三维加工简化成若干二维平面加工的组合。相对于传统产品的加工方式，省了许多工序，给周期和加工成本以很大影响。图6.1.3是成形原理图。图6.1.3 快速成形原理图3. 快速成型技术的基本特点快速成型技术系统将CAD、CAM等加工方式集与一体，他的应用有如下特点：1）用于新产品开发 通

6、过RP技术，设计人员可以在较短的时间得到所设计的产品实物模型，评估该产品的可行性。2）产品的加工不用刀具分离材料 采用数控技术控制多层叠料得到产品，因而材料得到了最大化应用。3）应用快速制造模具 通过电铸、电弧喷涂技术由塑料件制造金属模具；将快速成形的原型当作消失模，进行精密铸造；快速原型制造石墨电极，用该电极加工出模具型腔等。4）不需要前期投入专门工装 该加工方式对于批量、小量、单件均可进行相同的方式加工。特别对于新品试制，控制成本、减小风险有着重要作用。5）在逆向工程（Reverse Engineering）中有着广泛的应用 通过激光扫描、自动断层扫描等技术将得到的数据构建成CAD 模型，

7、然后再用于RP加工，可以将现有的产品复制，或按照生产需要加以改进等。在人造骨骼、手术计划模型等医学方面有广泛的用途。4.快速成型的发展阶段按照快速成型的发展的自动化程度，将其发展划分为三个阶段。1）手工原型长达若干年的传统工作与技能积累原型被当作需要技能的工艺（依据传统，并且需要手工操作）着重于原型的材料采用的是“自然的”原型技术 2）虚拟原型时间上从20世纪70年代中期原型的复杂程度有所增加虚拟原型能被用以施加外力，并被复制，可用于精密仪器测试一些特性 3）快速原型（快速成型）时间上从20世纪80年代中期特点是依赖于CAD技术的发展能在短时间制造出具有强度的原形件能有助于提升产品的改型、制造

8、、装配等等6.1.2快速成形加工的特点与传统的加工方式相比，快速成形在加工周期和成本上都有着无可比拟的优势，它突破了毛坯切削加工成品的传统加工模式，不用刀具制造零件，基本上无废料。因此有以下几个优点：1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂的零件，不用担心常规加工不能加工的区域；2）由于它是非接触加工，因此，加工不需要专门的刀具、夹具等工装，也不用担心常规加工时机床震动；3）可实现无人值守的完全自动化；4）加工效率高，能快速制作出产品的实体模型和模具。图6.1.4是传统加工方式和快速成形制造的工艺流程的对比。 a)传统加工 b)快速成形加工 图6.1.4 传统加工与快速成形的工艺流程6.1.3快速成

9、型常用的软件介绍由于快速成型要求在加工前，计算机上要有三维的数字化模型，可供切片处理。因此对于快速成形的CAD系统都要求有较强的三维处理能力。三维模型的处理能力主要在两个方面上的应用：三位实体造型（Solid Modeling）和表面造型（Surface Modeling）功能，后者对构造复杂的自由曲面有重要作用。快速成型行业中常用的有如下软件：软件名称 开发公司Pro/Engineer PTCAutocad AutodeskUnigraphics EDSCatia IBM1.三维模型的表达方法 随着计算机的辅助设计（CAD)技术的发展，出现了许多三维模型的表达方法，其中常见的有以下几种：（1

10、)构造型立体几何表达法（Constructive Solid Geometry，简称CSG法） 构造型立体几何表达法用布尔（Boole）运算法则（并、交、减），将一些简单的三维几何基元（如立方体、圆柱体、环、椎体）予以组合，变化成复杂的三维模型实体。（2)边界表达法（Boundary Representation，简称Brep） 边界表达法根据顶点、边和面构成的表面来精确的描述三维模型实体。此方法的优点是：能快速的绘制立体或线框模型。缺点是：它的数据是以表格形式出现的，空间占用量大；修改设计不如CSG法简单。（3)参量表达法（Parametric Representation） 对于自由曲面，

11、难于用传统的几何基元来进行描述，可用参量表达法。这些方法借助参量化样条、贝塞尔（Bezier）曲线和B样条来描述自由曲面，较好的一种是非均匀有理B样条（NURBS）法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率，能准确地描述几何基元。为了综合以上方法的优点，现代CAD系统常采用CSG、Brep和参量表达法的组合表达法。（4)单元表达法（Cell Representation） 单元表达法起源于分析（如有限元分析）软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形。在快速成型技术中采用的三角形近似（将三维模型转化成STL格式文件），就是一种单元表达法在三维表面的应用形式。

12、2快速成型技术中常用的文件格式(1) IGES/IGS (International Graphics Exchange Standard)它使最老的一种标准，几乎为所有CAD软件供应商所采用的国际标准数据转换格式。但是，在IGES的发展过程中，出现了下属的分支，而且各个供应商对IGES的标准理解不同，往往会出现各个CAD系统的IGES 文件标准的差异（如IGES128、IGES126等等）。（2）STEP（Standard for The Exchange of Product ）这是一种近年来逐步国际标准化的标准，现在已为绝大多数软件供应商所采用。 （3）STL（Stereo Lithog

13、raphy Interface Specification） 它是目前快速成形中最常见的一种文件格式，也为大多数CAD供应商所采用。就像CAE软件中的网格划分，它是将CAD模型离散成若干小三角形的平面组合。该方法对几何体的描述依赖于三角形的划分，通常对于细部特征需要较密的三角形，因而对于微小的细部特征可能描述不到或不清楚，现代快速成形制造中，越来越多的专家学者试图用其他文件甚至专用软件来描述CAD的实物模型，以便于模型前处理：如模型拓扑优化、模型转换、模型的分割合并及模型的切片处理等。6.2快速成形加工的方法6.2.1光固化立体成形（Stereo Lithography ApparatusSL

14、A）此工艺方法也称为液态光敏树脂选择性固化。是一种最早出现的RPT，它的原理如图6.2.1所示。液槽中盛满液态光敏树脂3，它在激光束的照射下快速固化。成形开始时，可升降工作台6使其处于液面下一个很厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层，从而得到该截面轮廓的薄片。然后工作台下降一层的高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此同时新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复到整个产品完成，一般截面层厚度在0.0760.038mm的围。工件从料槽中取走后还需进行后固化，在工作台和工件取下后，将多余的树脂用溶剂清洗后，

15、工件放入专门的后固化装置，经过一段时间的曝光处理后，工件才完全固化，而该时间的长短视材料、工件的大小和形状的复杂程度而定，再进行相应的打光、电镀、喷涂、着色等工艺措施。SLA是最早投入商业应用的快速成形技术，相对于其他成形方式成熟，能制造精度较高的工件，一般情况下可控制在0.1mm的围。1-激光发生器； 2-成形零；3-光敏树脂；4-液体面； 5-刮平器； 6-升降台图6.2.1光固化立体成形工艺原理这种方法适合成形小件，能直接得到塑料产品，表面粗糙度质量较好，并且由于紫外激光波长短（例如He-Cd激光器，=325mm），可以得到很小的聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。缺点是：1）需要设计支撑

16、结构，才能确保在成型过程中制件的每一个结构部分都能可靠定位；2）成形中有物相变化，翘曲变形较大，也可以通过支撑结构加以改善；3）原材料有污染，可能使皮肤过敏。6.2.2叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing LOM）叠层实体制造也称薄形材料选择性切割，是近几年才发展起来的一种快速成型技术。展开装置将涂有热熔胶的箔材带（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔）8，经热压辊6加热后，一段段送至工作台上方。激光切割系统，根据三维模型提取的每一个横截面的轮廓，在计算机的控制下，用CO2激光束对工作台上的箔材沿轮廓线切割成所制制件的外轮廓，制件轮廓以外的区域被切割成小方

17、块，成为废料。在该层切割完成后，工作台下降相当于一个纸厚的高度，然后新的一层纸再平铺在刚成形的面上，通过热压装置将其与已切割的型面粘合在一起，激光束再一次进行新的轮廓切割，以此逐步得到各层截面，并粘结在一起，形成三维产品。其工艺过程原理如图6.2.2所示。该工艺材料的厚度一般0.070.15之间，由于激光束只需扫描面轮廓，成形速度较快，制件完成后用聚氨酯喷涂即可。扫描器件有的采用直线单元，适合于大件的加工。也可采用振镜扫描方式。这种方法适合成形大、中型零件，翘曲变形小，成形时间较短，但尺寸精度不高，材料浪费大，且清除废料困难。该方法选用的原材料目前种类较少，尽管可选用若干种类的材料，如涂覆纸、

18、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔以及其他合成材料，但目前常用的只是纸，其他材料还在研制开发中。1-收纸辊；2-升降工作台；3-加工平面；4-定位装置（切割头）；5-激光器；6热压辊；7-计算机；8-箔材带；9-展开辊6.2.2 叠层实体制造 LOM法原理图6.2.3选择性激光烧结（Selected Laser SinteringSLS）选择性激光烧结采用CO2激光器对粉末材料（如蜡粉、PS粉、ABS粉、尼龙粉、金属粉、覆膜陶瓷粉）进行选择性烧结。是一种将离散点一层一层堆积成三维实体的工艺方法，其原理如图6.2.3所示。图6.2.3 选择性激光烧结原理图选择性激光烧结成型时，先将充有氮气的工作室升温，

19、并保持在粉末的熔点之下。成形时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作台上均匀地铺上一层很薄的粉末材料（0.10.2）mm。激光束在计算机的控制下，按照CAD模型离散后的截面轮廓的信息，对制件的实体部分所在区域的粉末进行烧结，使粉末熔化形成一层固化轮廓。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。最后经过510个小时的冷却，可取出工件，没有烧结的粉末对正在烧结的工件可起支撑作用，取出工件后未烧结的粉末可重复利用。这种方法适合成形中、小型零件，能直接制造蜡膜或塑料、陶瓷和金属产品。制件的翘曲变形比SLA工艺小。 这种工艺要对实心部分进行填充式扫描烧结，因此成形

20、时间较长。零件的表面粗糙度的高低受到粉末颗粒和激光束大小的限制。零件的表面一般是多孔性的，后处理比较复杂。该方法可烧结覆膜陶瓷粉和覆膜金属粉，得到成形件后，将制件置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物（如铜）。它的最大特点在于使用材料很广，几乎所有的粉末都可以使用，所以其应用围很广。 6.2.4熔融沉积成形（Fused Deposition ModelingFDM） 熔融沉积成形也称丝状材料选择性熔覆，它不像前几种工艺方法依靠激光光束作为能源，而是直接将丝材熔融，其原理如图6.2.4所示。三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做x、y、z运动。丝材（如塑料丝）由供丝送至喷头

21、，并在喷头中加热、熔化到略高于其熔点的温度，达到半流动状态，然后被选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一层厚，再进行后一层的涂覆，如此循环，形成三维产品。层厚一般在0.0250.762mm之间。这种方法成形速度较慢，适合成形小塑料件特别是瓶状和中空零件工艺简单、费用较低。制件的翘曲变形小，但需要设计支撑结构。该方法成形精度较低，难以构建结构复杂的零件。为了克服成形速度较慢这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成形效率。6.2.4 熔融沉积成形原理图 快速成形加工方法多达上百种，三维打印技术（Three-Dimensional Printing），固基光敏

22、液相法、热塑性材料选择性喷洒技术等等，现实生产中最常用的就是以上几种工艺方法。较低；难以用于复杂零件的制造；强度不高；6.3快速成形技术在模具制造中的应用 产品的开发周期中，模具的开发周期占了很大比重。由于传统模具制造过程时间消耗多、成本高、而且加工工序复杂。快速制模技术正是在这种背景下出现的，而且已逐渐成为快速成形技术的重要推动力之一。6.3.1快速制模技术的概念 在模具开发以前，对产品的投放市场始终要考虑到成形工艺的可行性，这就是产品能不能做的出来，在对工艺可行性并不明朗的情况下，商家一般不会投入巨资进行产品开发，因为模具的报废不只是模具成本、加工成本的损失，更为重要的是在这个过程中耽误了

23、对市场节奏的把握，会相当被动。而此时引入快速成型技术，加工时间可控制在几天之，成本也会低得多，不会像如图6.3.1所示的传统模具制造那样繁琐。图6.3.1传统模具（金属模）的一般生产流程快速成型技术在模具制造中的应用称为快速模具制造技术。快速成型及快速模具制造技术不仅适用于小批量的生产的模具，而且可以应用于各种复杂程度的模具制造。同传统的模具制造工艺方法比，它的制造时间为传统工艺的1/31/10，而成本大概只有1/31/5。6.3.2 快速制模技术的分类及应用 快速制模技术可以分为直接制模和间接制模，主要应用于塑料模和金属铸造模的制造。图6.3.2 快速制模技术的实现方法。图6.3.2 快速制

24、模技术 1.直接快速制模技术 （1）直接快速制模技术的工艺方法 1）利用SLA、SLS、LOM 等技术直接将CAD 模型加工成有一定机械性能要求的非金属原型（产品）。并作为软模使用，该工艺方法也称作软模技术，多用于小批量的塑料零件的生产，比如产品试制、产品概念设计、测试等。2）通过RP技术将含有粘接剂的金属粉、金属悬浮液、带有金属离子的塑料丝成形为半成品，再经过粘接剂的去除、渗金属等后续工艺制造模具。该类模具可用于中等产量的塑料零件和蜡模生产。3）直接以RP技术生产金属模具。该工艺方法通常是采用金属粉末的激光烧结成型技术。因此对于激光的功率要求较大，也可以是混合金属粉末。其中一种是低熔点金属在

25、熔化时起粘接作用。该工艺方法的加工的成本较高，有一定的工艺难度。 该方法，现在已为许多公司、科研所采用。它的成形工艺比较简单，一般的激光烧结快速成型设备就可以满足，运行成本较低，便于推广。（2）直接快速制造金属模具的工艺流程1）准备模具的三维CAD数据模型。2）激光快速成形 先在粉末颗粒外面包覆粘接剂，制成覆膜金属。然后再利用快速成形机激光加热，让覆膜金属熔化，使得金属颗粒之间相互粘接，完成第一个层面的加工。3）逐层铺粉 逐层烧结最后制造出三维实体的实物。4）去粉 用毛刷轻轻去除多余的粉末，粉末可以重复使用。此时只是粘接在一起，零件的强度可能不够，5）去粘接剂 在快速成形机成形后，接着就是脱脂

26、（去粘接剂）的后处理，温度大概在500。6）烧结 在粘接剂去除后，温度进一步升高，达到700以上烧结，以提高工件的强度。7）高温渗金属 该工艺使得制件表面质量提高，同时填充由于粘接剂的蒸发而留下的空隙。8）冷却 最后冷却的产品就是注塑模，该材料是钢和铜的混合物，再经过相应的工序处理如抛光、装配、调试等，就可以进行塑料件的生产了。该工艺方法降低了传统工艺的复杂程度，简化了生产流程，而且生产周期短，成本低。此外利用快速成形技术可以制造木模、树脂模等软模，也可以直接制造铸造用模，如熔模等。2.间接制模技术 利用快速成形技术，结合精密铸造、硅橡胶、粉末烧结等技术可间接制造出模具。其最关键的技术是：利用

27、快速原型制造出模芯，然后再用该模芯去复制与型芯对应的外模。一般是先制造出石膏型或陶瓷型，再由石膏或陶瓷型浇铸出金属模具。（1）常用的间接制模技术 1） 金属喷涂法 用喷枪将金属喷到RP原型上形成一个金属硬壳，将其分离下来，用环氧树脂或硅橡胶支撑，可制成注塑模具的型腔。该方法工艺简单，周期短，模具寿命可达10000次。2）硅橡胶模法 以原型为样件，将液体硅胶按照快速成形母模的分型线依次浇铸，等到固化好后，再去掉母模，形成硅橡胶模。硅橡胶模可用作试制和小批量生产用注塑模，其寿命1080件。3）熔模精铸(失蜡铸造)熔模精铸的长处就是利用模型制造复杂的零件，RP的优势是能迅速制造出模型。二者的结合就可

28、制造出无需机械加工的复杂零件。其制造过程是在RP原型的表面涂覆陶瓷耐火材料，焙烧时烧掉原型而剩下陶瓷型壳，向型壳中浇注金属液，冷却后即可得金属件。该方法制造的制件表面光洁。如批量较大，可由RPM原型制得硅橡胶模，再用硅橡胶模翻制多个消失模，用于精密铸造。4）陶瓷型或石膏型精铸型腔用快速成形系统制造母模，浇注硅橡胶、环氧树脂或聚氨酯等软材料，构成软模。移去母模，在软模中浇注陶瓷或石膏，得到陶瓷或石膏模。再在陶瓷或石膏模中浇注钢水，得到所需要的型腔。型腔经表面抛光后，加入相关的浇注系统或冷却系统等后，即成为可批量生产用的注塑模。 该方法得到的铸型有很好的复印性和较好的表面粗糙度以及较高的尺寸精度，

29、特别适合于零件小批量的生产、复杂形状零件的整体成形制造。（2）间接制模技术制造环氧树脂模具 环氧树脂模具与普通模具相比，只是在型腔部位采用环氧树脂。其模具的制造工艺流程：1）根据实体构建三维实体数字化模型，模框；2）模型的表面处理（打磨）；3）选择设计分型面，保证制件能顺利脱模；4）分型面剂原型面涂抹脱模剂；5） 刷胶衣树脂；6）浇铸凸、凹模；7）固化，取出原型后修模。 采用环氧树脂模具与传统的注塑模具相比，成本只有几分之一，生产周期很短，可满足中小批量的生产。6.3 电铸模具 6.3.1 电铸工艺的原理 电铸的原理和电镀的原理相同，它是在母模表面上，通过电镀的原理获得适当厚度的金属层，该金属

30、层从母模上分离出来，从而形成所需的型面。有电镀镍、电镀铜、电镀铁几种工艺方法。下面是几种工艺方法的比较：1）电铸镍 优点：表面质量好，成形的机械强度和硬度较高；缺点：制造周期长，成本高。 2）电铸铜 优点：导电性好、操作方便，成本低；缺点：机械强度和耐磨性差，不耐酸，易氧化。 3）电镀铁 优点：成本低；缺点：易腐蚀，质地松软。 1-加热器；2-电铸槽；3-阳极；4-电铸槽；5-蒸馏水瓶；6-直流电源；7-玻璃管；8-母模；9-搅拌器；10-温度计；11-温度控制器图6.11电铸成形原理 6.3.2 电铸成形的工艺特点 电铸成形工艺在型腔膜的制造中已得到了广泛的应用它有如下工艺特点：1）由于与电

31、镀的的原理相当，因此该工艺的金属沉积的速度较慢，制造周期相应也会较长；2）电铸层厚度较薄，而且易产生不均匀，因而变形会比较显著；3）电铸件与母模的误差很小，表面粗糙度相当；4）可以将难以常规加工的腔转化为电铸母模的外形加工，降低了加工难度；5）由电铸获得的型腔可满足使用要求，一般不需要再修整；6）可用制品来制母模，也可用电铸方法复制已有的模具型腔，降低了加工的复杂程度，减少了工序，提高效率。6.3.3 电铸成形的工艺流程 1）产品的数字化三维模型构建； 2）母模的设计制造 母模是为了得到电铸型腔而专门制造的模型，它的外形与型腔的外形相反，电铸结束后，取出或破坏母模，即可得到电铸型腔。 3）加工前处理 包括：镀脱模层、防水处理、镀导电层、绝缘包扎处理等工艺容。 4）电铸（电沉积） 通过电铸镍或电铸铜、电铸铁实现。 5）背衬加固 由于电铸层较薄，一般需要加固。常用的工艺方法有：喷涂金属、无 机粘接、浇注环氧树脂等。 6）脱模 一般对于方便取件用非破坏性脱模方法，如螺钉连接、台阶连接带出；对于难以取件的情况可用破坏性脱模方式，可以用各种物理、化学方法将母模与电铸件分开。 7）后续加工 如开设流道、浇口等，获得电铸件的最终成品，可以装配制造产品；