模具加工6快速成型及快速制模技术

1、第第6章章 模具的快速成型及快速模具的快速成型及快速制模技术制模技术 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。这里重点介绍后种快速制模技术。 快速成型技术（RP）问世不久，就出现了相当大的市场，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。制造业有效地结合数控加工、铸造、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。6.16.1快速成型制造技术的基本原理与特点快速成型制造技术的基本原

2、理与特点6.1.16.1.1快速成型制造技术的基本原理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），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、光学技术等前沿技术。快速成型制造技术可实现低成本、高生产率和短周期的生产特点。从设计和工艺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所示。 图6.1快速成型技术制造的产品根据材料的分离形式

3、把快速成型制造技术分为类： 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。 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。图6.2快速成型技术的主要内容2.2.快速成型技术的基本原理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。 3. 快速成型技

4、术的基本特点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 通过RP技术，设计人员可以在较短时间内得到所设计产品实物模型，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）应用快速制造技术制造模具 通过电铸、电弧喷涂技术将塑料件制造金属模具，把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，用该电极加工模具型腔等。4）不需要前期投入专门工装 5）在逆向工程（Reverse Engineering）中有着广泛的应用 6.1.2快速成形加工的特点

5、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。 图6.4是传统加工方式和快速成形制造的工艺流程的对比 。6.1.3快速成型常用的软件介绍快速成型常用的软件介绍 快速成型要求在加工前，计算机上要有三维的数字化模型供切片处理。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。 快速成型行业中常用的软件如下：1.三维模型的表达方法1）构造型立

6、体几何表达法2）边界表达法 3）参量表达法 4）单元表达法 2快速成型技术中常用的文件格式(1) IGES/IGS (International Graphics Exchange Standard) 它是最老的一种标准，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。 （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 Lithography 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C

7、AD供应商所采用。 6.2快速成形加工的方法快速成形加工的方法6.2.1光固化立体成形光固化立体成形（Stereo Lithography ApparatusSLA） 此工艺方法也称为液态光敏树脂选择性固化。是一种最早出现的快速成形技术（RPT），它的原理如图所示。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。 1-激光发生器； 2-成形零件；3-光敏树脂；4-液体面； 5-刮平器； 6-升降台 该方法制件精度可控制在0.1mm的范围内。适合成形小件，能直接得到塑料产品，表面粗糙度质量较好 。 确定材料有污染，可能使皮肤过敏。 6.2.2叠层实体制造叠层实体制造（Laminated O

8、bject Manufacturing LOM） 叠层实体制造也称薄形材料选择性切割。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内外轮廓。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。 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选择性激光烧结选择性激光烧结（Selected Laser SinteringSLS） 该方法是

9、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6.7所示。图图6.27 选择性激光烧结原理图选择性激光烧结原理图 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，再进行后一层的铺粉烧结，最终形成三维产品 。6.2.4熔融沉积成形熔融沉积成形（Fused Deposition ModelingFDM）

10、 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6.8。 6.8 熔融沉积成形原理图 这种方法成形速度较慢，适合成形小塑料件，特别是瓶状和中空件。该方法工艺简单、费用较低，制件的翘曲变形小，但需要设计支撑结构。但成形精度较低，难以构建结构复杂的零件。 6.3快速成形技术在模具制造中的应用快速成形技术在模具制造中的应用6.3.1快速制模技术的概念快速制模技术的概念 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

11、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6.9快速制模技术的实现方法。图6.9 快速制模技术 1.直接快速制模技术直接快速制模技术 （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）。 2）通过快速成型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。 3）直接以快速成型技

12、术生产金属模具。 （2）直接快速制造金属模具的工艺流程）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。 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。 5）去粘接剂 在快速成形机内成形后，接着就是脱脂（去粘接剂）的后处理。 6）烧结 粘接剂去除后，温度进一步升，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

13、序处理如抛光、装配、调试等，就可以进行塑料件的生产了。6.4电铸模具电铸模具6.4.1 电铸工艺的原理电铸工艺的原理 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，该金属层从母模上分离出来，从而形成所需的型面。图6.10电铸成形原理图 。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6.10电铸成形原理 6.4.2 电铸成形的工艺特点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广泛的应用，它有如下工艺特点： 1）由于与电镀的的原理相当，因此该工艺的金属沉

14、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内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。6.4.3 电铸成形的工艺流程电铸成形的工艺流程 1）产品的数字化三维模型构建；）产品的数字化三维模型构建； 2）母模的设计制造）母模的设计制造 母模是为了母模是为了得到电铸型腔而专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。门制造的模型，它的外形与型腔的外形相反。 3）加工前处理）加工前处理 包括：镀脱模层、防水处理、镀导电层、包括：镀脱模层、防水处理、镀导电层、绝缘包扎处理等工艺内容。绝缘包扎处理等工艺内容。 4）电铸（电沉积）电铸（电沉积） 通过电铸镍或电铸铜、电铸铁实现。通过电铸镍或电铸铜、电铸铁实现。 5）背衬加固）背衬加固 由于电铸层较薄，一般需要加固。常用的工由于电铸层较薄，一般需要加固。常用的工艺