第6章 快速成形制造技术课件

第6章快速成形制造技术

6.1概述

6.2快速模具制造技术（RT,RapidTooling）

6.3基于RPM的快速模具制造方法

6.4RPM快速模具制造的应用

思考与练习6.1RPM概述用纸可以制造零部件，纸的强度有多大？它一撕就破，这是众所周知的常识。如果告诉你，现在有种纸比木头还硬，可以用于制造汽车零部件的样件，你信不信？这不是天方夜谭，是事实。不得不承认，随着现代科学技术的发展，人类的智慧会创造出超越普通常识的神奇神话。其实真正神奇的，是支持这个系统的技术——快速成形制造技术。快速成形制造技术是降低产品开发成本，缩短开发周期的有效手段。本章主要介绍快速成形制造技术的发展状况和基于快速成形制造技术的快速模具制造方法，并结合具体实例分析其设计步骤、制作工艺及其一些关键性技术等。快速成形（RapidPrototyping,RP）技术作为一种先进制造技术，是用材料逐层或逐点堆积出零件的一种快速制造方法，又称为快速出样件技术或快速原型法。它与虚拟制造技术（VirtualManufacturing）一起，被称为未来制造业的两大支柱技术。快速成形技术对缩短新产品开发周期，降低开发费用具有极其重要的意义，有人称快速成形技术是继NC技术后制造业的又一次革命。RP技术从第一台设备发展至今，并迅速地向快速成形制造（RapidPrototypingManufacturing,RPM）方向发展。快速成形制造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。

6.1.1RPM的产生与发展

我国在国家自然科学基金委和国家科技部的支持下于90年代初进入RPM领域。华中科技大学、清华大学、北京隆源快速成形公司等单位在RPM 设备、材料和软件方面进行了大量的研究，并先后完成了产品的开发和商品化工作，许多关键技术达到或领先国际先进水平。同时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，发挥越来越重要的作用，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。目前，比较成熟的制造工艺有数十种。典型的有SLA立体光刻、LOM分层实体制造、SLS选区激光烧结、FDM熔融沉积制造和3DP三维印刷等。快速成形制造技术是采用分层的思想来制作三维物体，根据构成物体的方式不同，有以下几种成形方式：（1）添加成形添加成形（AddingForming）是充分利用计算机数据模型和自动成形系统相结合，采用材料添加的方法分层制造零件，可制造各种形状复杂的零件，制造周期大大缩短、材料利用率高，在制造过程中不产生力，能量消耗较低。该工艺方法经不断发展和完善，形成了目前各式各样的快速制造方法。。（2）去除成形去除成形（DislodgeForming）是以金属切削工艺和特种加工工艺为代表，包括零件的传统制造方法：车、铣、刨、磨、镗、钻等工艺；特种加工：线切割、电火花、激光加工等，都是采用在原始材料上通过不同的方法去除一部分多余的材料，从而达到设计所要求的形状、尺寸和公差。也可看成零件做减法，即在毛坯上减去多余材料而获得零件。该工艺的大部分能量消耗在去除材料上，因此无功资源消耗多、成本周期长、材料浪费严重。

（3）受迫成形受迫成形（NetForming）是利用材料的塑性，将半固化的流体材料通过模具或压力的作用下，定形成各种形状与尺寸的零件。典型的工艺方法有注塑、吹塑、挤压、铸造、锻造、粉末冶金等。在模具制造业中，可以利用快速成形技术制得的快速成形，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加工生产模具；快速成形技术制得的快速原型也可以直接作为模具。快速成形制造技术的进一步发展和开发工作主要在以下几方面：(1)改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；(2)开发经济型的快速成形系统；(3)快速成形方法和工艺的改进以及创新；(4)快速模具制造的应用；(5)开发性能好的快速成形材料；(6)开发快速成形的高性能软件；(7)快速成形技术与CAD、CAE、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的一体化集成。6.1.2RPM的基本原理与特点1.RPM的基本原理RPM技术是综合CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光技术等于一体的技术，是实现从零件设计到三维实体成形制造的一体化系统技术，采用软件离散-材料堆积的原理实现零件的成形过程，其原理如图6.1所示。RPM是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术总称，即利用三维CAD的数据，通过快速成形机，将一层层的材料堆积成实体原型。在计算机控制下，基于离散/堆积原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看，零件可视为逐点、线、面的叠加而成。从CAD模型中离散得到点、线、面的几何信息，再与快速成形的工艺参数信息结合，控制材料有规律地、精确地由点、线到面，由面到体地逐步堆积成零件。从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制三维的自动化成形设备，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成成形或零件，其工艺流程如图6.2所示。由图6.2可知，首先是零件CAD数据模型的建立：设计人员可以应用各种三维CAD造型系统，包括进行三维实体造型，将设计人员所构思的零件概念模型转换为三维CAD数据模型；其次是生成数据转换文件：由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成一种可被快速成形系统所能接受的数据文件，如STL、IGES等格式文件。目前，大多数快速成形系统采用STL格式文件，因STL文件易于进行分层切片处理。所谓STL格式文件是对三维实体内外表面进行离散化所形成的三角形文件，所有CAD造型系统均具有对三维实体输出STL文件的功能；再次进行分层切片处理：是将三维实体沿给定的方向切成一个个二维薄片的过程；最后是快速堆积成形：快速成形系统根据切片的轮廓和厚度要求，用片材、丝材、液体或粉末材料制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完成三维形体成形的制备。

2.RPM的特点RPM技术的特点主要有：（1）高速柔性化RPM是从“电子模型”直接制造零件，将三维实体离散，可以成形任意复杂的零件，取消了所有加工工具，因而具有极大柔性，任意零件直接成形。（2）技术高度集成化RPM是计算机技术、数控技术、材料科学技术、激光技术和机加工技术等多项交叉学科的综合集成。它采用离散/堆积的方法，在计算机和数控技术的基础上，追求最大的柔性为目标。（3）产品开发快速化由于激光快速成形是建立在高度技术集成的基础之上，从CAD设计到成形的加工完成只需几小时至几十小时，从而大大缩短了产品设计、开发的周期，降低了新产品的开发成本和风险。尤其适合于小批量、复杂的新产品的开发。充分体现了其快速的优越性。（4）设计制造一体化由于采用离散/堆积的分层制造工艺，充分利用了CAD/CAM一体化的优势，将设计制造集成。（5）制造自由成形化自由成形制造FFF（FreeFormFabrication）可以有两个含义，一是不受工具限制，二是不受零件复杂程序限制。它根据零件的形状，不受任何专用工具或模具的限制而自由成形，也不受零件任何复杂程度的限制，能够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的零件。(6)材料使用广泛性RPM技术所采用的材料随该技术的发展也越来越广泛，如金属、纸张、塑料、树脂、石蜡、陶瓷等材料在快速成形领域已有很好的应用。

6.1.3RPM的分类与工艺方法1.RPM的分类RPM技术在“分层制造”思想基础上，根据分类的方法通常可分为按采用的原材料进行分类和按制造工艺原理进行分类。

（1）按成形所采用的原材料分类①液体的光、热聚合与固化液体聚合物的特性使其在激光、紫外光或其他热源的照射线能迅速从液态转为固态。采用这种方式的快速成形制造技术有立体印刷、全息干涉固化、光催化固化与光刻、激光束相干固化、热聚合等。②固态膜、片材的熔化采用固体的膜或片材，用粘结剂或其他方法将切割下来的材料粘结而成形。常用的工艺方法有层合实体制造、膜聚合等。③固体粉末的烧结与粘结通过激光烧结或用粘结剂粘结将固体粉末联接起来，未被照射的区域仍是粉末。采用这种制造工艺的有选择性激光烧结、三维喷涂粘结等。④固态丝、线材的熔化采用固态的线材或丝材，通过加热使其熔化成半流动状，同时喷头按要求的轨迹运动，将材料沉积下来，堆积成所需的形状，冷却后凝固成固体而成形。常见的工艺方法有熔融沉积造型、焊接成形等。（2）按制造工艺原理分类①层合实体造型（LOM）：LOM工艺采用薄片材料，用激光束在刚粘结的新层上切割出零件截面轮廓。②立体光刻（SLA）：SLA工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。③选择性激光烧结（SLS）：SLS工艺是采用粉末状材料成形的。④三维喷涂粘结（3DPG）：3DPG工艺采用粉末材料成形。其原理类似于喷墨打印机，因此又称3D印刷。⑤熔融沉积造型（FDM）：FDM工艺一般采用热塑性材料。2.RPM的工艺方法迄今为止，国内、国外已开发成功了10多种成熟的快速成形工艺，其中比较常用的有以下几种：（1）纸层叠法——薄形材料选择性切割(LOM法)计算机控制的CO2激光束按三维实体模型每个截面轮廓线对薄形材(如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等)进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结形成快速原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。

（2）激光立体制模法——液态光敏树脂选择性固化(SLA法)液槽盛满液态光敏树脂，它在计算机控制的激光束(按照三维模型每个截面的轮廓线)照射下会很快固化形成一层轮廓，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至成形完毕，即形成快速原型。而新推出的光照成形机(如3DSystems公司出产的SLA-300成形机)采用了Zephyr再涂层技术，最上面待成形树脂用真空吸附式刮板结构涂布供给，不需要沉入液态树脂中，提高了速度，在制作的原型中不再有液态树脂。用来制作塑料模、在熔模精密铸造中替代蜡模。（3）烧结法——粉末材料选择性激光烧结(SLS法)粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息，CO2激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型、以及铸造用母模等。

此外还有粉末材料选择性粘结法(TDP法)、直接壳型铸造法(DSPC法)以及实体生长成形法(SGC法)等方法。上述快速成形的工艺方法都是基于计算机三维实体造型。在对三维模型进行处理后，形成截面轮廓信息，随后将各种材料按三维模型的截面轮廓信息进行扫描，使材料粘结、固化、烧结，逐层堆积成为快速原型，这就是所谓的分层制造技术。几种快速成形方法的特点及常用材料如表6.1所示。表6.1几种快速成形方法的特点及常用材料成形方法SLALOMSLSFDM成形速度较快快较慢较慢原型精度较高较高较低较低制造成本较高低较低较低复杂程度中等简单或中等复杂中等零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料热固性光敏树脂等纸、金属箔、塑料薄膜等石蜡、塑料、属、陶瓷等粉末石蜡、尼龙、ABS、低熔点金属等模具是制造业必不可少的手段，其中用得最多的有铸模、注塑模、冲压模和锻模等。传统制作模具的方法是：对木材或金属毛坯进行车、铣、刨、磨、钻、电蚀等加工，得到所需模具的形状和尺寸。这种方法既费时又费钱，特别是汽车、摩托车和家电所需的一些大型模具，往往造价数十万元以上，制作周期长达数月甚至一年。而基于RPM技术的快速模具制造技术，使模具的制造时间大大缩短而成本也大大降低。目前，快速成形制造技术在模具制造方面的应用可分为RP成形间接制模（IndirectRapidTooling,IRT）和RP成形直接制模（DirectRapidTooling,DRT），主要用于制造注塑类模具、冲压类模具和铸造类模具等。通过将精密铸造、中间软模过渡法以及金属喷涂、电火花加工、研磨等先进模具制造技术与快速成形制造相结合，就可以快速地制造出各种金属型模具来。如图6.3所示为各种基于快速成形的RT工艺路线。6.2快速模具制造技术（RT,RapidTooling）6.2.1直接制模技术DRT较好的解决模具加工成本高、周期长的方法就是采用快速成形直接制造模具。直接制模技术DRT是指利用RP技术直接制造出最终的零件或模具，然后对其进行一些必要的后处理即可达到所要求的力学性能、尺寸精度和表面质量。直接制模具有制造周期短，节省资源，发挥材料性能，提高精度，降低成本的特点。但它在模具精度和性能控制等方面比较困难，特殊的后处理设备与工艺使成形尺寸受到较大的限制。注塑模、压铸模等多种模具，常常需要用电火花机床（EDM）通过成形电极进行电加工。利用RPM成形或其工艺转换模，采用研磨法、精密铸造、电铸、粉末冶金、石墨成形等方法，快速制作金属电极和石墨电极，用于所需模具的加工，要比通常的机械加工方法具有速度快、质量好、成本低、制造周期短的特点。6.2.2间接制模技术IRT间接指模技术IRT是指利用RPM技术首先制造模芯，然后用此模芯复制软质模具，或制作金属硬模具，或者制作加工硬模具的工具。它通常以非金属型为主，大多数情况下，非金属成形无法直接作为模具使用，需要以RP成形作母模，通过各种工艺转换来制造金属模具。相对于直接制模来说，间接制模技术比较成熟。目前，制造业多数采用金属模具间接制造工艺。间接制模的特点是将RP技术与传统成形技术相结合，充分利用各自的技术优势，成为目前应用研究的热点。间接制模工艺依据零件生产批量、模具材料和生产成本有如下几种方法：1.硅橡胶模具硅橡胶模具是以RPM成形为母模，采用硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶软管。其工艺过程为：对RPM成形进行表面处理，并在成形表面涂洒脱模剂；将成形放置模框并进行固定，同时在真空室对硅橡胶进行配置混合；抽去气泡，向已准备好的模框内浇注混合的硅橡胶液；待硅橡胶固化后开模，取出成形，便得到所需的硅橡胶模。2.环氧树脂模具环氧树脂模具是以液态环氧树脂作为基体材料，将RPM成形进行表面处理并涂洒脱模剂，选择设计分型面，然后进行环氧树脂浇注，取出成形后，便得到所需软质模具。环氧树脂模具制作工艺简单，成本低廉，传热性好、强度高，适合于注塑模、吸塑模等模具。

3.金属冷喷模具金属冷喷模具是以成形为母模，将低熔点金属充分雾化后以一定的速度喷射到样模表面，形成模具型腔表面，背衬充填铝的环氧树脂或硅橡胶复合材料支撑，将壳与成形分离，得到精密的金属模具和用快速成形直接加工金属模具。其特点是工艺简单、周期短、模具尺寸精度高、成本低。

4.精密陶瓷模具以RP成形为母模，用特制的陶瓷浆浇注成陶瓷铸型，制成模具。6.3基于RPM的快速模具制造方法

1.用快速成形件作母模，复制软模具(Softtooling)用快速成形件作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具或先浇注硅橡胶、环氧树脂模(即蜡模的压型)，再浇注蜡模。其中，蜡模可用于熔模铸造，而硅橡胶模、环氧树脂模等可用作试制用注塑模或低熔点合金铸造模。

2.用快速成形件作母模，复制硬模具(Irontooling)用快速成形件作母模，或据其复制的软模具，可浇注(或涂覆)石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属，构成硬模具(如各种铸造模、注塑模、蜡模的压型、拉伸模)，从而批量生产塑料件或金属件。这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削加工，以便获得更高的精度，或镶入嵌块、冷却系统、浇注系统等。用金属基合成材料浇注成的蜡模的压型，其模具寿命可达1000～10000件。

3.用快速成形系统制作电脉冲机床用电极用快速成型件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，可制作金属电极或石墨电极。例题一：利用硅橡胶模(SiliconRubberMold)制作佛头、线圈。

6.4RPM快速模具制造的应用案例分析硅橡胶有很好的弹性和复制性能，用它来复制模具可不考虑拔模斜度，基本不会影响尺寸精度，而且这种材料有很好的切割性能，用薄片就可容易地将其切开且切面间非常贴合，因此用它来复制模具时可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再沿预定的分模面将其切开，取出母模，即可得到上下两个软模。(1)试验用设备和材料所用的设备：SPS-600激光快速成形机、HVC-1真空注型机和恒温箱。所用的材料：日产KE-1310ST透明硅橡胶、日产CAT-1310固化剂(浇注时，KE-1310ST与CAT-1310以100：10混合)和PX215真空注型硬制聚氨脂树脂(异氰酸脂，多元醇1∶1混合)。(2)制模工艺路线使用UG、SolidEdge等软件进行三维实体造型，以STL文件格式保存；将文件输入快速成形机作出制件原型，处理后作硅橡胶母模；组合模框后将硅橡胶和固化剂的混合物浇注于框中，通过真空脱泡、固化后剖切取出母样即得硅胶模；最后在真空注型机中浇注塑料样件。具体的制模流程如图6.4所示。

3、分析尺寸了解零件各部分的定形，定位尺寸和零件的总体尺寸，以及注写尺寸的所用的基准。4、看技术要求

分析技术要求，结合零件表面粗糙度、公差与配合等内容。以便弄清加工表面的尺寸和精度要求。5、综合考虑把读懂的结构形状、尺寸标注和技术要求等到内容综合起来，就能比较全面地读懂这张零件图。先看主要部分，后看次要部分；先看整体，后看细节；先看容易看懂部分，后看难懂部分(3)制作硅胶模具时的注意事项对加工成型硅橡胶而言，不要在室温下固化，而以40℃～60℃加温固化；分模面的选取一定要注意将外观面朝下，在内观面的合适位置上放置胶棒；如果零件有倒钩，可以在硅胶模上作45°切口，但注意不要割断；在一些树脂不易流满的死角处，一定要做气孔；对不容易进行分模的原型件，可以喷少许离型剂。此外，对形状复杂(倒钩、斜面很多)，两半模无法满足脱模条件的情况，开模时可以将硅橡胶模具剖开成数块来处理。但要注意，在浇注塑料件的时候合模应精确，否则会因模具的错位或合模不紧而影响浇注品的精度。(4)应用图例如图6.5所示和如图6.6所示分别是我们制作的佛头和线圈模具的图例。例题二：利用电极(electroforming)快速制造精铸摆杆。案例分析注射模等多种模具的型腔常常用电脉冲加工机床(EDM)制作。它是利用导电材料(金属)在液体介质中放电时的电腐蚀现象来对金属材料(型腔)进行加工的，原理如图6.7所示。

(1)精铸摆杆制作工艺流程如图6.8所示，在此摆杆制作工艺中，电极的制作是关键。我们首先用快速成形机制作出母件，在其表面进行金属喷镀构成铜电极壳体，然后取出电极壳体，在电极壳体的背面注射环氧树脂，用电极固定座与电极壳体连接构成铜电极。这样，精铸摆杆电极就制作完成了。（2）注意事项①这种方法由于通过电极的电流较大会产生大量的热，如果散热不够好，镀层和母体易分离，导致电极镀层畸变、破裂，加剧损耗。为此，可在电极中设置相应的冷却道或在靠近镀层处放入金属嵌块来改善导热。②在电脉冲加工过程中，电极与被加工表面之间的间隙应适中。间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，从而不能产生火花放电；间隙过小，容易