基于SLA的快速模具设计与制造研究

1、 本 科 毕 业 设 计 第 43 页 共 43 页1 引言本次课题是基于SLA的快速模具设计与制造研究，并且选定了鼠标作为本课题研究的初始实物原型，如图1.1所示。本次课题涉及3DSS、Geomagic、Magics、Pro/E等软件的使用，快速成型机等设备的使用及硅胶模具的制作。根据制作过程，我们大致把本次课题分为三个阶段，分别为：模型的反求及重建、快速原型的建立和硅胶模具的制作。针对本次课题，我主要侧重快速原型和硅胶模具的制作这两方面的研究。图1.1 鼠标的初始实物1.1 快速成形技术的背景快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称

2、RP)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种产品设计与制造技术。它不受传统加工模式的局限，不需要机械加工设备便可快速制造出形状复杂的工件，被看作是产品设计与制造领域的重大研究成果。其对制造行业的冲击可与五六十年代的数控技术相比，尤其是产品的原型制造，为面向21世纪的新产品的创新设计提供了一种切实可行的技术途径2 。快速成形技术综合了计算机技术、机械工程、CAD技术、逆向工程、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术等高新技术，可以自动、精确、直接、快速地将设计思想转变为具有一定功能的原型，或可以直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效、低成本的

3、实现手段3。快速成形技术在不需要任何刀具、模具及工装夹具的情况下，直接接受产品的计算机辅助设计(CAD)数据，可实现任意复杂形状新产品的快速制造，快速制造出新产品的样件、模具或模型，优越性显而易见。通过RP技术快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，有利于优化产品设计，大大提高了新产品开发的一次成功率，缩短研发周期，降低研发成本，提高产品的市场竞争力4。1.2 快速成形技术的国内外发展现状快速成形技术概念的提出可追溯到1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法，该设想提出后，由丸

4、谷洋二于1984年继续研究，并于1987年进行产品试制。1988年，美国3D Systems公司率先推出快速原型实用装置激光立体造型即SLA(Stereo Lightgraphy Apparatus)，并以年销售增长率为30%40%的增幅在世界市场出售5。世界上，美国是最重要的RP设备生产国，1999年美国生产的RP设备占全世界的81.5。而对于本课题主要采用的光固化成形法，主要进行研究的有3D Systems公司、EOS公司、CMET公司、D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Mitsui Zosen公司等。3D Systems公司于1999年推出SLA-7000机型，扫描速度可达9

5、.52m/s，层厚最小可达0.025mm。AUTOSTRADE公司（日本）使用680nm左右波长的半导体激光器作为光源，并开发出针对该波长的可见光树脂。在国内，清华大学主要研究RP方面的现代成形学理论、SSM（slicing solid manufacturing）、FDM工艺，开展了基于SLA工艺的金属模具的研究。华中科技大学研究LOM工艺，推出了HRP系列成形机和成形材料。西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成形系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成形精度为0.2mm，体积略同柜式空调机。南京航空航天大学重点研究了SLS成形工艺。华北工学院研究了基于SLS工艺的金属零件的R

6、P制造。南京师范大学与南京理工大学主要研究光造型工艺及微结构快速成型工艺，并研制了低成本桌面快速成型系统及微结构桌面快速成型系统，同时还开展了成形材料及新型RP用光学技术的研究6。快速成形技术是一种具有广泛应用前景的、正在不断完善的高新技术。随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展起到越来越重要的作用，并将给企业带来巨大的经济效益。同时，快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展也将推动相关技术、产业的发展7。1.3 快速成形技术的发展趋势从目前技术的研究和应用现状来看，快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有以下几个方面： (1)开发性能好的快速成型

7、材料，如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料；(2)提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法；(3)改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础；(4)开发快速成形的高性能RP软件。提高数据处理速度和精度，研究开发利用CAD原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失；(5)开发新的成形能源；(6)快速成形方法和工艺的改进和创新。直接金属成形技术将会成为今后研究与应用的又个热点；(7)进行快速成形技术与CAD、CAE、RT、CAPP

8、、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究；(8)提高网络化服务的研究力度，实现远程控制8。1.4 基于快速成形技术的硅胶模型技术采用快速成形技术制造用于新产品开发与试制的技术称为快速模具制造技术(Rapid Tooling，简称RT)。传统模具制造的方法有很多，如：数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工等。由于这些工艺复杂、时间长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。而传统的快速模具（例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂模具等）又由于工艺粗糙、精度低、寿命短，很难完全满足用户的要求。此外，传统的快速模具常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正，而不能做到真正的“快速”。因此

9、，应用快速成形技术制造快速模具，在最终生产模具、开模之前进行产品的试制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，有效地节约开发时间和费用。快速模具的目标是以较低的成本，快速地生产出具有较好尺寸精度、表面粗糙度和一定复杂度的模具。根据模具的使用寿命，快速模具的种类可以分为软模具、中间模具和硬模具。模具相对寿命在200次以下定义为软模具(Soft Tooling)，寿命在2005000次定义为中间模具或过渡模具(Firm Tooling Bridge Tooling)，寿命在5000次以上为硬模具(Hard Tooling)。软模具适合中小批量零件生产，是一种周期短、成本低的模具制造工艺。本

10、次课题拟采用软模具。硅胶模具技术是一种常见的快速软模具制造技术。其定义为：以硅胶为基料灌入已固定原型的型框中，待硅胶硬化后沿分型面用刀具切开，取出原型，即得到模具。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。硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性，能制造结构复杂、花纹精细、无拔模斜度，甚至倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，制造周期短，制件质量高。硅胶模具与传统模具制造技术相比，具有以下优势：（1）复印性能好，可良好地翻印母模上的细小特征，基本上无尺寸精度损失； （2）硅胶作为弹性体，可供制作形状复杂样件的模具，并且不需要设置拔模斜度就能脱模，大大简化了模具设计； （3）硅胶模具的延展性、韧性好

11、；（4）硅胶模具的离型性好；（5）耐高温，可以直接浇注低温合金或金属；（6）生产周期短，一般仅为十几个小时，甚至几个小时；（7）制成的样件产品性能，根据聚氨酯配比可直接与ABS、PE、PP等类比。（8）成本低，硅胶模的制作费用要比传统模具制作的费用低得多9。2 模型的反求及重建2.1 逆向工程技术的介绍2.1.1 逆向工程的定义 逆向工程（Reverse Engineering，简称RE），也称反求工程、反向工程等，其思想最初来自于油泥模型到产品实物的设计过程。作为消化吸收先进技术的一种手段。逆向工程的主要任务是将原始的物理模型转化成为工程设计概念或数字化模型：一方面为提高工程设计及加工分析的

12、质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用CAD/CAM/CAE技术已有的产品进行再设计服务。逆向工程是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造过程。这样的产品设计过程可称之为“正向设计”。反之，可以认为逆向工程是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称10。2.1.2 逆向工程的系统组成 逆向工程系统主要由3部分组成：产品实体外形的数字化、CAD模型的重建、产品样本和模具制

13、造。 逆向工程系统中设备和软件因素主要包括以下几个方面：（1）测量机与探头；（2）数据处理；（3）模型的重建；（4）快速成型机；（5）产品制造设备。2.1.3 数据采集与处理逆向工程的关键技术为：数据的采集与处理，既数字化技术；曲面构造，既建模技术。辅以其他方法构成逆向工程的技术体系。 （1）数据采集的方法数据采集的方法可分为接触式采集法和非接触式采集法。接触式数据采集方法包括基于力触发原理的触发式数据采集法、连续式数据采集法、磁场法、超声波法等。非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采样，包括激光三角测距法、结构光法、图像解析法及断层扫描成像法等。我们本次课题所采用的3DSS三维扫描

14、仪就是基于图像解析法这样的原理。不同零件的材质不同，曲面凹凸程度不同，其对照射光线的反射也会不同，而曲面上的反射光会影响2CCD传感器检测点数据。因此，通常应在零件原型数据采集之前，先将零件需要数据采集的部位全部喷成白色。 （2）测量数据的处理按数据点的数量，测量数据分为一般点云和“点云”数据；按测量数据是否规整，分为散乱数据点和规则数据点。不同的测量数据类型，在数据处理特别是造型方法的选择上是不同的，如对点云数据应进行数据精简处理。“点云”是一种特殊的测量数据点，由激光扫描仪获得，由于数据点的数量较通常的接触式三坐标测量机大得多，也称海量数据或“点云”（Point Cloud），而且点云数据

15、具有不同于接触式数据的一些特点，因此其处理方式也不同。在CAD造型中，通常的逆向软件都具有将点云显示为多种模型的状态功能，以方便处理，一般有Scatter（点云宣示为个别的像素）、折线（Polyline,点之间线连接）、扫描线（Scanline）、网格（Grid）、三角面片（Polygonized）等形态。由于实际测量过程中受到各种人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪音。为了消除或降低噪音对后续建模质量的影响，有必要对测量的“点云”进行滤波或平滑滤波处理。目的是去除误差或噪音、数据精简和抽取模型的特征信息，多数过滤都是针对扫描线数据的，如果数据点是无序的，将影响过滤结果11。2.1.4 重

16、新造型“重新造型”是一种逆向工程模式，它是一个直接建模环境，使用户可专注于多面模型的特定区域，并使用不同的工具来获得期望的曲面形状和属性。允许用户在多面数据或三角化数据的顶部重建曲面CAD模型。用户可直接输入数据或使用Pro/E的“小平面建模”功能通过转换点集数据进行模型创建。在重新造型模式中一般流程如下：（1）在Pro/E中打开或插入所需的小平面特征，也可以是独立的几何特征。执行菜单栏中的“插入重新造型”命令，进入重新造型模式。（2）使用不同的曲面重建工具重建曲面，例如使用晓平面上重创建的曲线、由平面相交创建的曲线或3D曲线创建曲面。（3）可以在小平面表面上创建区域，使用此区域创建仅受该区域

17、影响的分析曲面。对于自由形式的曲面，还可使用“拟合”与“投影”工具。（4）若曲面必须彼此相交，则可能需要延伸这些曲面。在某些情况下，在延伸后需要重新拟合自由形式的曲面。如有必要，可为现有的曲面指定区域以进行拟合或查看。可在小平面特征上自动创建样条曲线，然后可使用曲线或曲面的现有工具进行修改曲面。（5）使用“诊断”工具可实现曲面和曲线特征的动态可视化。利用各种曲面分析工具进行分析。使用着色视图了解所需曲面某些的结构。执行菜单栏中的“重新造型重新造型分析”命令，在弹出的“重新诊断样式”对话框中控制曲面和曲线的诊断显示。（6）使用“重新造型树”来删除所选区域或曲面；删除位于更高级的原件。（7）完成“

18、重新造型”特征后，可使用所创建的几何创建常规的Pro/E特征。2.2 模型的反求2.2.1 关于3DSS三维扫描仪3DSS（Three Dimentional Sensing System）是一种对实物进行数字化建模的设备，广泛应用于逆向工程、计算机辅助工程或有限元分析技术中。它能对物体进行高速高密度扫描，输出三维点云以供进一步后处理使用。它是一种非接触扫描设备，能对任何材料的物体表面进行数字化扫描，如工件、模型、模具、雕塑、人体等，用于逆向工程、工业设计、三维动画、文物数字化等领域。图2.1 3DSS三维扫描仪3DSS的基本原理是：采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三

19、维非接触式测量技术。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能。所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图像，而3DSS三维扫描仪获得的是物体的三维信息。 3DSS系统包含扫描硬件和扫描软件。硬件包括电脑、摄像头、数字光栅发生器、三脚架；扫描软件的操作系统是win2000/XP，软件对摄像头和光栅发生器进行实时采集和控制，对采集的图像进行软件处

20、理，生成三维点云，并能进行三维显示，输出各种格式（asc，wrl，igs，stl等）的点云文件，可用Surfacer、Geomagic等软件进行进一步处理。 扫描控制软件的主界面如图2.2所示，客户区被固定分成四个区域，其中第一象限是扫描点云显示区；第二象限是参考点管理区；第三象限是左摄像头图像显示区；第四象限是右摄像头图像显示区。图2.2 扫描控制软件的主界面2.2.2 扫描前置处理2.2.2.1 表面处理 物体的表面质量对扫描结果影响很大，为保证表面质量，下面几种表面必须做表面处理：（1）黑色表面（2）透明表面（3）反光面 物体最理想的表面状况是亚光白色。常用的表面处理方法是在物体表面上喷

21、涂一层白色的显影剂，这种物质很容易去掉，便于扫描完成后还原物体的本来面目。喷涂显影剂时要注意不要喷得太厚，不要追求表面颜色的均匀而过多喷涂，只要薄薄的一层就可以，否则会造成误差。2.2.2.2 参考点 要完整地扫描一个物体，往往要进行多次、多视角扫描，才能获得整体外形的点云。这时就需要进行多视拼合运算，把不同视角下测得的点云转换到同一个统一的坐标系下。而参考点就是用来协助坐标转换的，它实际上是一些贴在物体表面的原点。 关于参考点，应注意如下事项： （1）相邻两次扫描之间，至少要有三个重合的参考点，才能进行拼合； （2）参考点贴在相邻扫描的重叠区域； （3）参考点的排列应避免在一条直线上； （4

22、）参考点之间的距离应该互不相同，不要贴成规则点阵的形状； （5）高低尽量错开； （6）参考点应贴在有效位置，即那些至少两个角度扫描时都能扫描到的公共位置，某些死角里的参考点是没什么用的。 如图2.3即为此次鼠标上盖模型前置处理后的效果。图2.3 模型的前置处理2.2.3 使用3DSS对模型进行扫描 选择模型五个不同的视角分别进行扫描，然后对其进行匹配，这样就完成了整个模型的扫描。图2.4是我们选取的两个不同角度的扫描图。 图2.4 不同角度的扫描图依次对五个侧面进行了扫描匹配，将得到的模型导入Gemagic Studio中进行修改。 2.3 点云数据的处理 在这一过程中使用Gemagic St

23、udio对点云数据进行处理，步骤如下： （1）将在3DSS中扫描得到的“点云”文件导入Gemagic软件中，并着色，如图2.5所示。图2.5 着色后的文件 （2）选择套索工具，将文件中非鼠标上盖部分的点云删除，得到如图2.6所示的文件。图2.6 去除多余点云后的文件 由于扫描的方位不够准确等原因，我们可以清楚地看到鼠标上盖模型并不完整，有部分缺损，但这对我们的设计并没有过多的影响，我们将会在后续部分使用Pro/E进行模型重建。 （3）由于“点云”文件所含的点数量过多，大约在百万以上，为了减少数据量，需要进行统一采样。将参数改为0.3，这样文件数据量将会大大减少。（4）选取体外孤立点，如图2.7

24、所示，在软件运行结束后，把选出的点删除。这样可以减少很多非必要的“点云”数据，重复这样的操作几次，可以减少很多数据。图2.7 选取文件中的体外孤立点 （5）减少噪声。点击减少噪声，将下面的偏差限制参数改为0.1。 （6）进行全局注册。点击全局注册，将最大迭代参数改为100，采样大小的参数改为10000，如图2.8所示。图2.8 对文件进行全局注册 （7）选择点，在下拉菜单中选择合并，并给文件命名，然后进行封装。“点云”数据将会变成以三角形形式存在的数据，这样就使得“点云”文件变成“面”的文件，方便进行处理，如图2.9所示。图2.9 进行封装后的文件 （8）运用套索工具删除文件中多余的三角片，将

25、鼠标上盖的外壳修整得尽量平滑，以确保扫描得到的鼠标上盖外壳与模型的误差不是很大。（9）在扫描过程中，由于贴标志点等原因，会产生一些孔洞，这就需要我们使用孔填充工具对其进行修补。填充工具中前4个比较常用，第一个是选择边界填充，第二个是选择空缺处填充，第三个是过桥式填充，第四个是删除浮动数据。填充工具在修整平面时是非常有用的，我们此次扫描的模型上贴标志点的地方也可近似看作平面，得到如图2.10所示的文件。图2.10 修补空洞后的文件 （10）松弛边界。选择松弛边界，再选择整个边界，将最大迭代数改为100。 （11）如果还有不满意的表面，可以使用去除特征工具，它相当于删除和填充工具，可以使鼠标上盖的

26、表面更加光滑平整。 （12）如果对选择的区域不满意，可以按键盘上的ctrl+c键撤销操作。 （13）选择简化，把百分比调为30%。这样会使数据量减少到最小。 （14）创建基准：创建三个基准平面。首先选择最佳拟合来创建第一个基准面，然后创建一个垂直于平面的基准轴，再创建第二个基准平面2，选择类型为通过轴并且垂直于刚刚创建的基准平面1，最后创建通过点同时垂直于基准平面1和基准平面2的基准平面3，这样就创建了三个特征平面，如图2.11。图2.11 创建三个特征平面（15）创建好三个特征平面后，选择对齐工具里的对其到全局，进行平面对齐，这样可以确保在后续的操作中将图形导入到Pro/E中使坐标对齐，输入

27、选为特征，XY平面和平面1创建对；XZ平面和平面2创建对；YZ平面和平面3创建对，操作如图2.12所示。图2.12 将文件对齐到全局 （16）在Geomagic中选择曲线下面的从界面创建曲线来构造相交特征曲线。在截面类型中选取平面，首先用平面2去截鼠标上盖的表面，在多重截面中调整截面的距离为2mm和截面的数量为100，以确保界面将鼠标上盖此方向上截面完整，得到界面和鼠标上盖特征实体相交的界面曲线，如图2.13所示。再以同样的方法用平面3来截另一方向的界面曲线，调整截面与截面的距离为2mm，数量为100，达到自己满意的位置。最后得到如图2.14所示的界面图。图2.13 得到单方向的界面曲线图2.

28、14 得到相交的界面曲线 （17）保存文件另存为，文件的扩展名为.igs，输出对象为曲线对象，选项为仅限活动对象，点击确定。2.4 模型的重建 在这一过程中使用Pro/E软件对模型进行重建，步骤如下： （1）打开Pro/E，新建一个零件模块，将上一步在Geomagic中处理好的.igs文件导入，如图2.15所示。图2.15 将.igs文件导入Pro/E中 （2）点击草绘，以Front平面为草绘平面，使用样条曲线绘制鼠标上盖底部的轮廓线，绘制结果如图2.16所示。图2.16 草绘鼠标上盖底部轮廓线 （3）保存上一步所绘制的轮廓线。由于鼠标上盖下部是近似垂直于底面的，故我们要先将鼠标上盖下部按此方

29、法创建。点击造型工具，以Front平面为基准平面，平移10mm设置活动平面，在平面上绘制与Front平面上重合的轮廓线，如图2.17所示。图2.17 绘制与Front平面上的轮廓线重合的线 （4）以Right平面为基准，绘制几个与Right平面平行的活动平面，并在活动平面上绘制与两轮廓线相交的直线，如图2.18所示。图2.18 绘制连接两轮廓线的直线 （5）使用造型工具，将相邻两直线间用面连接，由于鼠标上盖的头部与尾部曲率较大，不能使用造型工具连接，故只连接两侧面，如图2.19所示。图2.19 用曲面连接鼠标上盖两侧面 （6）使用边界混合工具，选择鼠标上盖头部部分相邻的两直线及两直线间的一条直

30、线作为第一方向，进行边界混合，鼠标上盖尾部部分也是同样的操作，这样鼠标上盖的下半部分就创建好了，如图2.20所示。图2.20 创建好的鼠标上盖下半部分 （7）由于鼠标上盖下部是由几个曲面组成的，我们需要把它合并成一个整体。 （8）以Right平面为草绘平面，绘制鼠标上盖在此平面上的轮廓线，如图2.21所示。图2.21 鼠标上盖在Right平面上的轮廓线 （9）以Right平面为基准，分别在其两侧创建几个活动平面，并在各个活动平面上绘制鼠标上盖在此平面上的轮廓线，需要注意的是，每条轮廓线都必须穿过鼠标上盖的下部，如图2.22所示。图2.22 鼠标上盖上部的轮廓线 （10）使用边界混合工具，选择上

31、一步创建的鼠标上盖上部轮廓线作为第一方向，进行边界混合，需要注意的是，选择曲线的时候，必须从一侧向另一侧依次选择，如图2.23所示。图2.23 边界混合后的鼠标上盖上部 （11）选择合并工具，将鼠标上盖上部与下部合并起来，并依次去除多余的部分，如图2.24所示。图2.24 合并后的鼠标上盖 （12）选择编辑下拉菜单中的加厚选项，将厚度设置为3mm，如图2.25所示。图2.25 加厚的鼠标上盖 （13）选择拉伸工具，以Front平面为草绘平面，绘制鼠标按键及滚轮的轮廓线，保存草绘，选择去除材料，选择拉伸至选定的点、曲线、平面或曲面，选择鼠标上盖顶面的上表面，得到的图形如图2.26所示。图2.26

32、 去除按键和鼠标滚轮后的鼠标上盖 （14）选择拉伸工具，以Front平面为草绘平面，绘制鼠标上盖与下盖连接柱的轮廓线，保存草绘，选择拉伸至选定的点、曲线、平面或曲面，选择鼠标上盖顶面的下表面，保存，这样就完成了鼠标上盖的绘制，如图2.27所示。图2.27 完成后的鼠标上盖 （15）下面我们绘制鼠标下盖。选择拉伸工具，以Front平面为草绘平面，将复制的鼠标上盖底部轮廓线粘贴在上面，保存并向上拉伸2mm，如图2.28所示。图2.28 拉伸的鼠标下盖底面 （16）绘制与鼠标上盖的配合面。选择拉伸工具，以Front平面为草绘平面，选择偏移工具，将外轮廓线分别偏移3mm和4mm，保存并向上拉伸4mm，

33、如图2.29所示图2.29 绘制与鼠标上盖的配合面 （17）绘制与鼠标上盖配合的连接柱。选择拉伸工具，以鼠标下盖上表面为草绘平面，绘制与鼠标上盖配合的连接柱轮廓线，保存并拉伸3mm，如图2.30所示。图2.30绘制与鼠标上盖配合的连接柱 （18）绘制定位鼠标按键的定位柱。选择拉伸工具，以鼠标下盖上表面为草绘平面，绘制定位鼠标按键的定位柱轮廓线，保存并拉伸8mm，如图2.31所示。图2.31 绘制定位鼠标按键的定位柱 （19）绘制线路板的定位框。选择拉伸工具，以鼠标下盖上表面为草绘平面，绘制线路板的定位框轮廓线，保存并拉伸1mm，如图2.32所示。图2.32绘制线路板的定位框 （20）绘制线路板

34、的定位孔。选择拉伸工具，以鼠标下盖上表面为草绘平面，绘制线路板的定位孔轮廓线，保存，选择去除材料，选择拉伸至选定的点、曲线、平面或曲面，选择鼠标下盖的下表面，保存，这样就完成了鼠标下盖的绘制，如图2.33所示。图2.33 完成的鼠标下盖 （21）为保证鼠标上盖与下盖的配合，我们需要将两部分装配起来，如图2.34所示，两部分配合较好，基本符合要求。 24）由于经费所限，本次设计只制造出鼠标上盖的原型，所以，我们将鼠标上盖的图形保存为副本，在文件类型上选取STL（*.stl），点击确定。3 快速原型的制作工艺3.1 快速成形技术的介绍快速成形技术的分类有多种，根据成型方法可分为两类：基于激光及其他

35、光源的成型技术（Laser Technology），例如：光固化成型（stereolithography，简称SLA）、分层实体制造（laminated object manufacturing，简称LOM）、选择性激光粉末烧结（selected laser sintering，简称SLS）、形状沉积成型（sharp deposition manufacturing，简称SDM）等；基于喷射的成型技术（Jetting Technoloy），例如：熔融沉积成型（fused deposition modeling，简称FDM）、三维印刷（three dimensional printing，简称3

36、DP）、多相喷射沉积（MJD）。下面对我们本次课题所采用的光固化成型工艺作简单的介绍。SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。图3.1 SLA工作原理SLA工作原理：液槽中盛满液态光敏树脂，激光束在偏转镜的作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面

37、上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型12。SLA方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法也是技术上最为成熟的方法。SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100。但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光敏树脂有一定的毒性等。优点：(1)成型过程自动化程度高；(2)尺寸精度高；(3)表面质量优良；(4)可以制作结构十分复杂的模型；(5)可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。缺点：(1)成型过程中伴随着物

38、理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑；(2)设备运转及维护成本较高；(3)可使用的材料种类较少；(4)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性；(5)需要二次固化；(6)液态树脂同化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不使进行机加工。3.2 快速原型的前期处理在这一过程中，是将前面处理好的文件在magics软件中进行修复、抽壳、添加支撑等操作，最终将模型处理得符合要求，再导入快速成型机中进行加工。3.2.1 设备设置点击菜单：File - Machine Setup，弹出如图3.2所示的界面。图3.2 设备设置界面(1) 创建新设备点击按

39、钮New Machine，添加本次所用的加工设备sps-450快速成型激光机，按照图3.3修改设备属性，设置完成后点击下一步。图3.3 设备属性界面(2) 修改平台属性按照图3.4设置以下参数：a 采用加工平台尺寸生成封套b 平台位置，加工平台的坐标系插入点c 默认零件位置d Z向调整图3.4 平台属性界面 （3）修改支撑属性 按照图3.5设置支撑属性，将层厚改为0.1。图3.5 支撑属性界面 （4）修改切片属性按照图3.6修改切片属性，将层厚改为0.1，刀具补偿改为0.06。图3.6 切片属性界面（5）其他选项默认，设备设置完成。3.2.2 读取零件菜单：File - Load Part快捷

40、键：CTRL+L该指令将从制定的路径下读取一个零件到当前的平台中来。如图3.7所示。图3.7 打开界面3.2.3 对零件进行诊断并自动修复菜单：tools-fix wizard快捷键：CTRL+L如图3.8所示。图3.8 自动诊断界面3.2.4 若零件中有一些错误无法自动修复，需要手动修复零件中错误的边界、三角片等。但由于本次在Pro/E中重建的模型质量较好，并没有出现错误，故不需手动修复。3.2.5将零件添加到新建的平台上，通过移动、翻转工具将其放置于平台中间，距底面6mm，如图3.9所示。图3.9 将零件置于平台上3.2.6 添加支撑 在零件底部与平台之间添加支撑，如图3.10所示。图3.

41、10 添加支撑3.2.7 加强支撑 由于上一步添加的支撑由好几部分组成，在加工过程中容易被刮板刮跑，故需要将这几部分连接起来，起到加强的作用，如图3.11所示。图3.11 加强支撑3.2.8 检查零件是否在所要求的平面上 将零件沿着Z平面切开，看其是否在所要求的平面上，如图3.12所示。图3.12检查零件是否在所要求的平面上3.2.9将零件以.SLC格式导出，加载到快速成型机上。3.3 鼠标原型件的制作3.3.1 快速成型机的介绍本次课题所使用的快速成型机型号为SPS 450B，如图3.13所示。图3.13 SPS 450B激光快速成型机该设备采用材料累加原理，由CAD数据直接控制激光扫描光敏

42、树脂，快速精确地制造出任意几何形状的产品原型，无需考虑其复杂程度，真正实现无模制造。SPS 450B具有成型速度快，成型精度高，表面质量好，后处理简单省时等特点。 SPS 450B激光快速成型机的优势：技术功能产品创新、CAD验证、产品功能验证、零件装配关联测试与结构分析，与客户或供应商的交流手段，制作快速模具的母模技术优势，能制作非常精细的薄壁，空心结构精度高，成型表面质量好，材料利用率高，接近100%，容易成型，过程速度快，可提供自主研发的光敏材料。应用领域：适用于汽车、摩托车、家用电器、航空、航天、船舶、轻工、玩具、医疗修复、科研院校等所有制造及制造研究行业。技术参数：Laser Bea

43、m Scanning Speed 激光扫描速度：8m/sLaser Light Spot Diameter 激光光斑直径：100mm）Layer Thickness 加工层厚： 0.55mm0.3mmMax building Speed 最大成型速度：60g/h Equipment Volume 设备体积 ：SPS 450B：1665mm*1095mm*1930mm Power Consumption 设备功率：3kwCAD Interface 数据接口：STL最大加工尺寸：450*450*350（mm)3.3.2 光敏树脂的介绍本次课题所使用的光敏树脂型号：DSM Somos 11122DS

44、M Somos Water Shed 11120光敏树脂是一种用于SL成型机的低粘度液态光敏树脂，能制作具有耐用、坚硬、防水等功能的零件。用此材料制作的样件呈淡绿色透明(类似于平板玻璃)。 DSM SOMOS 11122是SOMOS11120的升级换代产品。DSM SOMOS 11122及Somos Water Shed 11122光敏树脂性能优越，该材料类似于传统的工程塑料（包括ABS和PBT等）。它能理想地应用于汽车、医疗器械、日用电子产品的样件制作,还被应用到水流量分析，风管测试以及室温硫化硅橡胶模型、可存放的概念模型、快速铸造模型的制造等方面上。 3.3.3 SPS 450B激光快速成

45、型机的操作规程和制件前检查3.3.3.1 仪器设备的管理使用需由专人负责，应严格遵守设备的如下操作规程： （1）避免产生灰尘影响损害光路系统，避免具有紫外线的光源照射树脂；（2）检查实验室环境温度、湿度及避光情况，应保持室温在2224摄氏度之间，相对湿度在40%以下；（3）制件前确保树脂温度在3032摄氏度之间，若制件间隔在一周内，则不应关断加热电源；（4）打开总电源上电（单向电源）；（5）制件时应依次打开激光器、工控件、伺服电源、运行Rp Build。（6）打开计算机，进入 WIDOWS 2000 用户界面，再将杀毒后的U盘中的.SLC文件拷贝到工控机中；（7）运行控制程序，调入工件分层文件

46、并处理；（8）检查相应的参数设置，然后进行加工模拟；（9）打开控制面板上的温控、照明、树脂循环、驱动、光路、激光按钮，并检查工作状态；（10）检查槽内的树脂液位，应在中间位置，如不足则应添加树脂；（11）加工前应清除工作台上、刮板以及树脂槽内漂浮的固化树脂屑；（12）刮平测试前应确保工作台在树脂液面以下，以免出现碰撞，损伤刮板和工作台的情况；（13）调整工作台的初始位置与液面相平；（14）加工开始后，注意观察前几层的扫描及粘结情况，优化相应参数设置，以保证加工正常进行；（15）加工完毕后，升起工作台，待液态树脂被淋净后铲下工件，并及时清理工作台及槽内的固化树脂屑； （16）依次关闭激光器、伺服

47、电源、Rp Build程序； （17）如不加工下一批工件，应依次关闭激光、光路、驱动、温控、树脂循环；（18）每周检测树脂粘度，并对液态树脂进行20分钟左右的搅拌； （19）滚珠丝杠与导轨每月需用丝绸织品擦洗一次，涂新润滑油； （20）每3个月水平校正一次整机，制件的尺寸精度校正为每光路系统调整一次就需要校正一次； （21）工作时需要佩戴橡胶手套，以避免液态树脂直接接触皮肤。3.3.3.2 制件前检查：（1）刷新激光功率，看是否在220以上；（2）检查真空吸附；（3）检查网板是否干净；（4）检查零位；（5）戴橡胶手套检查刮平是否有附着物；（6）查看浮块的位置，看是否需要添加液态树脂；（7）对待

48、制件进行仿真检查。3.4 鼠标原型件的后期处理（1）将鼠标原型件上的液态树脂淋净，取出；（2）把网板清理干净；（3）检查导轨，刮板等是否溅到液态树脂，并清理干净；（4）称量制件的毛重，为20g，并记录在记录本上；（5）去除制件上的支撑，注意不要将工件损坏；（6）放入无水酒精中用细毛刷仔细清洗，不好清洗的地方应用注射器吸取酒精冲洗，至少清洗两遍，待不黏手时方可；（7）晾干，放入固化箱中固化11分钟；（8）取出，称量制件的净重，为14g，并记录在记录本上；（9）用180#2000#的砂纸，从小标号到大标号逐次打磨，尤其注意阶梯面及支撑点处一定要打磨光滑；（10）用洗衣粉水清洗，将附着在表面上的树脂

49、粉末清洗干净，否则在下面制作过程中，未清理干净的树脂粉末会影响硅胶模具的质量，并且最终会影响浇注件的质量。如图3.14所示为经过打磨并清洗的鼠标上盖原型件。图3.14 鼠标上盖原型件4 硅胶模具的制作工艺及真空注型4.1硅胶模具的浇注设备本次课题所采用的浇注设备是真空浇注成型机（如图4.1所示）。图4.1 真空浇注成型机真空浇注成型机的技术原理：将模具材料或成型零件材料按一定的比例混合后放入容器，然后将容器放入真空浇注成型机中搅拌、抽真空，浇注到模架或模具中，待固化成型后取出模具或产品零件。其特点是复杂形面的零件脱模容易，无需考虑分型及斜抽芯。适合于数十件注塑件的快速制造。真空浇注成型机的技术

50、功能：（1）采用负压自动调节真空泵，形成稳定的真空负压；（2）采用电子安全压力阀，保证了设备运行的安全性；（3）搅拌器转速连续可调，适用于不同组分的材料；（4）特殊结构搅拌器，搅拌阻力小、搅拌均匀；（5）设备抽真空速度快，5秒内可达到0.06Mpa的负压；（6）辐射加热，保证真空室温度均匀。真空浇注成型机的应用领域：真空浇注成型机可用于硅橡胶模具、聚氨酯模具的快速制造，小批量注塑零件的真空浇注成型，广泛应用于汽车、家电、轻工、医疗、农业机械及军工等行业的产品研发和小批量生产。4.2 硅胶模具的制造流程如图4.2所示为硅胶模具的快速制造工艺流程，我们本次课题就是按照这个流程来完成的。RP原型型框

51、制作硅胶计算制作完成取出模型刀刨开模固化注入硅胶真空脱泡图4.2 硅胶模具的快速制造工艺流程4.2.1 制作母模母模成最终成件的正形，对母模的要求如下几点：（1）不会阻碍硅胶模的固化；（2）有足够的尺寸精度；（3）能抛光至要求的表面光洁度； （4）为了便于上下模在剖切时分离，对原型样件中的通孔，在样件内表面上粘贴透明胶带。对不易脱模的原型样件，喷少许脱模剂。 针对本次课题所设计的鼠标上盖模型，需要将其上表面的按键孔和滚轮孔用透明胶带贴住，并且为了使脱模容易，应喷少许脱模剂。4.2.2 分析鼠标上盖原型，确定分型面为了使脱模较为方便，不损伤模具，避免模具变形或影响模具应有的寿命，分型面应选在鼠标

52、上盖原型的下表面。4.2.3 粘贴分型线因为模具浇注好后，需要用刀割分型面进行分模，所以需要在鼠标上盖原型的分型面的边缘上，粘上沿分型面画线的透明胶带作为分型线标记，以备后面的操作中分模用。4.2.4 硅胶模框的制作根据鼠标上盖原型的大小，用薄板制成模框，并用胶带和强力胶密封框板之间的缝隙，然后将母模和浇口粘在模框底部，如图4.3所示。母模与浇注框之间的间隙为10厘米到15厘米。为了开模时方便找到分型面的位置，我在模框的内侧用记号笔大致画出了分型面的位置。图4.3 放置好母模的模框4.2.5 硅胶的计量。 所制的模框体积为； 硅橡胶与固化剂的比例为100:2.3； 硅胶的密度为；硅胶的质量为；

53、固化剂的质量为。4.2.6 硅胶的一次脱泡硅胶与固化剂混合后，室温下即进行反应，并释放低分子醇，为使醇分子脱离胶体，需在负压下排泡1-3分钟，故需要在真空浇注成型机中完成操作。将称量好的硅胶置于A杯中，将称量好的固化剂置于B杯中，放入真空浇注成型机，令其在真空下搅拌2分钟。如图4.4所示。图4.4硅胶的一次脱泡4.2.7 硅胶的二次脱泡待一次脱泡完成后，将硅胶倒入模框中，注意要沿着模框边缘倒，不要将原型件压倒，如图4.5所示。将模框置于真空浇注成型机中，进行二次脱泡，脱去硅胶在浇注过程中夹杂的气泡，保证型腔内特征的完整性。二次脱泡的时间应略长于一次脱泡的时间，取3分钟。图4.5 将硅胶倒入模框

54、中4.2.8 硅胶模具的固化从真空浇注成型机中取出浇注好的硅胶模具，在室温下放置至其完全固化。选择不同品种的胶料固化时间有所差异。如图4.6所示。图4.6 固化后的硅胶模具4.2.9拆除模框、刀剖开模具并取出原型件 待硅胶完全固化以后，拆除模框，切除硅胶模具上的毛边。开模的时候，刀尖要走直线，刀尾走波浪线，沿着事先画好的分型面线，将硅胶模具割开，取出母模。切割时使靠近硅胶模具外缘的切口成波浪形，靠近母模处的切口比较光滑，凸凹波浪能使上下模精切地对准定位。4.2.10 后处理后处理主要包括：清除型芯、型腔中由于开模过程中留下的小颗粒；如发现型芯、型腔中有小缺陷，可配置一些胶水，如AB胶，进行模具

55、的修补，待固化后即可使用。如图4.7所示即为用手术刀分开的硅胶模具。图4.7用手术刀分开的硅胶模具4.3 真空注型硅胶模具制作完成之后，就可以采用AB水在真空状态下注型，对原型样件进行复制，其过程为： (1)浇注前需要对硅胶模进行预处理。首先应进行必要的清理工作，例如清除沟槽内的残留物，检查排气孔是否堵塞等。我们用固定样件的圆棒所形成的孔来代替浇口，但由于浇口所处的位置是硅胶模的最高处，所以我们打算在浇注时将硅胶模倾斜放置，并在一些AB水不易充满的死角处，用气针开出气孔。 （2）喷洒离型剂，组合硅胶模。为了便于浇注件从硅胶模中取出，需要在模具型腔表面喷洒离型剂，特别是深沟槽、深孔等难以脱模处。然后将硅胶模上下模合模，并用胶带固定。合模应准确，模具不能错位，胶带固定要松紧适宜(太紧模具变形，太松飞边过大)，否则会影响塑料件的尺寸精度。 （3）分别计量A液、B液的重量。AB水的重量根据原型的重量进行估算并根据浇注过程中材料的盈余进行调整，按1：1的比例配置A液、B液。（4）将硅胶模置于真空浇注成形机内的操作平台上，装上浇口，如图4.8所示。然后将装有A液、B液