快速成型技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

1、快速成型技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用崔鋒錄 碩601 學(xué)號(hào)3106001023摘要快速成型作為一種正在成熟的先進(jìn)制造技術(shù)，已成功的實(shí)現(xiàn)了快速原型制造，正向快速制造方向迅速發(fā)展。本文介紹了快速成型技術(shù)在快速制模方向的應(yīng)用，并提出了一些需要解決的問題。關(guān)鍵詞：快速成型 快速制模引論模具生產(chǎn)零件具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、節(jié)約能源和原材料以及成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)產(chǎn)品的70%80% 要靠模具生產(chǎn)，模具已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要工藝裝備。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)一步加劇，多品種、小批量將成為主要的生產(chǎn)模式。因此，怎樣快速、高質(zhì)量地設(shè)計(jì)制造出產(chǎn)品的模具，已成為贏得競(jìng)爭(zhēng)的重要因素。基于快速成型技

2、術(shù)的快速模具制造是RP技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合的一種全新技術(shù)。該技術(shù)能極大地縮短模具制造周期，降低制造成本。一 RP技術(shù)概論 快速成型技術(shù)(又稱RP 技術(shù)) 誕生于80 年代后期, 是基于材料累加法的一種高新制造技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、輔助制造(CAM )、計(jì)算機(jī)輔助控制(CNC)、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體, 依據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型, 對(duì)其進(jìn)行分層切片, 得到各層截面的輪廓, 激光選擇性的切割一層層的紙(或固化一層層的液態(tài)樹脂、或燒結(jié)一層層的粉末材料、或熱噴頭選擇快速地熔覆一層層的塑料或選擇性地向粉末材料噴射粘結(jié)劑等) 形成各截面輪廓并逐步

3、疊加成三維產(chǎn)品。雖然快速成型技術(shù)問世不長, 但由于它對(duì)制造業(yè)帶來的巨大效益使得這一技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛?？焖僭椭圃彀闯尚尾牧霞凹夹g(shù)不同發(fā)展了立體光刻造型法(SL ) , 粉末燒結(jié)法(SLS) , 熔化凝結(jié)法(FDM ) , 薄層材料制造法(LOM ) , 三維印刷法(3DP) , 逐層固化法(SGC)等成型方法。二 基于RP技術(shù)的模具制作方法 傳統(tǒng)的模具制造方法可分為兩種,一種是借助母模翻制模具,另一種就是用數(shù)控機(jī)床直接制造模具 。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中,減少模具制造所需成本和時(shí)間對(duì)縮短整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間及降低成本是最有效的步驟,快速成型技術(shù)的一個(gè)飛躍就是進(jìn)入模具制造領(lǐng)域,其潛力所在正是能降低模具制

4、造成本并減少模具開發(fā)時(shí)間。將快速成型技術(shù)引入模具制造過程后的模具開發(fā)制造就是快速模具制造。 快速成型技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要是用來制作模具設(shè)計(jì)制造過程中所用的母模,有時(shí)也用快速成型技術(shù)直接制造模具。因此可以將基于RP的快速模具制造分為兩類，即：直接制模法和間接制模法。（一）直接制模法1 SLS激光粉末燒結(jié)一般的工藝流程為：先在基底上鋪上一層粉末，壓輥壓實(shí)后，用激光有選擇的燒結(jié)一個(gè)層面。然后新的一層粉末通達(dá)鋪粉裝置鋪在上面，進(jìn)行下一層燒結(jié)，反復(fù)進(jìn)行直至得到最終的零件。目前主要有兩種商品化的SLS工藝：一是美國DTM公司的Rapid Tool工藝；另一種是德國EOS公司的Direct Tool

5、工藝1。Rapid Tool工藝該工藝采用激光燒結(jié)包覆有粘結(jié)劑的鋼粉，由計(jì)算機(jī)控制激光束的掃描路徑，加熱融化后的粘結(jié)劑將金屬粉末粘結(jié)在一起，生成約有45%孔隙率的零件，干燥后，放入高溫爐膛內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)、滲銅，生成表面密實(shí)的零件，此時(shí)零件中上材料成分為65%的鋼和35%的銅。經(jīng)過打磨等后處理工序后，得到最終的模具。Direct Tool工藝通過燒結(jié)過程使低熔點(diǎn)金屬向基體金屬粉末中滲透來增大粉末間隙，產(chǎn)生尺寸膨脹抵消燒結(jié)收縮，使最終的收縮率幾乎為零。2 3DPrinting由MIT 開發(fā)的3DP 技術(shù)已發(fā)展成可利用噴頭有選擇地向金屬粉末噴射粘結(jié)劑,利用粘結(jié)劑使金屬粉末成型。這種低密度的(約為50 %

6、) 成型件也要經(jīng)過去除粘結(jié)劑和滲銅處理,最終得到密度達(dá)92 %以上的模件。其成型厚度為0. 17 mm ,因而其尺寸精度只達(dá)到±0. 1 mm 的水平。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以制造的材料多種多樣,這種多樣性既可體現(xiàn)在不同模件上,也可體現(xiàn)在同一個(gè)模件上,其尺寸也可以比較大,幾何形狀任意,過程簡(jiǎn)單,是一種比較看好的技術(shù)。3 光固化法制作注射成型模具這是一種以環(huán)氧樹脂基的光敏樹脂為原料在SL 設(shè)備上成型的方法。它用密集激光束過量掃描待成型表面,即激光束掃描間距很小,甚至部分重合,同時(shí)照射非常均勻。該法制作的快速成型件的精度和表面光潔度在目前所有RP 方法中是最好的,因此常用它來制作模具制造中所

7、用的母模。用此種方法直接制作注射模的型腔或型芯,也達(dá)到了非常好的效果,可用于注射多種熱塑性的塑料,甚至可注射研磨性的塑料,壽命達(dá)200 件,價(jià)格適中,制作時(shí)間一般在2 星期左右。需要注意的是環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱性差,雖然帶來了可用較小壓力注射的好處,也要考慮注射周期問題。4 LOM法 與一般的LOM不同的是，它直接在成型機(jī)上進(jìn)行金屬薄板的疊層制造，根據(jù)CAD模型，采用激光或水射流方法形成輪廓。采用擴(kuò)散粘結(jié)將切割的薄板疊全起來，形成偽金屬實(shí)體零件，由于板村的厚度較大，會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)，因此需要精加工處理。（二）間接制模法直接制模法根據(jù)要求，能夠在不同部位采用不同材料。然而，直接制模法受到工藝本身限制，制造

8、的模具在表面及尺寸精度、大小規(guī)格、形狀自由度等方面尚不能滿足高精度金屬模具的要求。具有競(jìng)爭(zhēng)力的快速制模方法主要是將快速成型與鑄造、噴涂、電鍍、粉末成型等傳統(tǒng)成型工藝相結(jié)合的間接制模法。間接制模法主要有以下幾種方法。1 硅膠模硅膠模應(yīng)用非常廣泛。首先用RP 法制作出“正”的與待成型件相同的母模,然后在母模周圍澆滿硅橡膠。固化后,沿所要求的分型面將硅橡膠切開,取出母模后就制成了硅膠模。為了保證硅膠模的質(zhì)量,要求母模表面經(jīng)過拋光處理,因?yàn)槟＞叻七^程中會(huì)將母模表面的幾乎所有特征哪怕手印復(fù)制到硅膠模成型面上進(jìn)而復(fù)制到零部件上。硅膠模具有制作速度極快,可以澆鑄多種熱固性塑料,成型件具有較好精度,價(jià)格非常

9、便宜等優(yōu)點(diǎn),但硅膠模不能制作精度要求很高的零件,壽命短,通常只能澆鑄2530 件。2 環(huán)氧樹脂模具制作過程類似硅膠模生產(chǎn)過程,只是將硅膠換成了摻有鋁粉的環(huán)氧樹脂。整個(gè)模具需分兩次澆鑄制成,因?yàn)榄h(huán)氧樹脂不能象硅膠那樣用刀切分型。環(huán)氧樹脂在固化過程中伴有少量收縮,因此母模常會(huì)損壞。環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性極差,用純環(huán)氧樹脂制作的模具進(jìn)行注塑成型時(shí)的熱量難以散出,解決的辦法就是制作環(huán)氧樹脂的模具特征表面,背后充填導(dǎo)熱性好的材料。這樣制作的模具具有很好的抗壓強(qiáng)度,完全可以用于象注塑成型那樣的壓力成型,具有研磨性的材料也可以注塑,壽命達(dá)數(shù)千件。3 表面噴涂金屬的模具在RP 制作的母模外噴涂一層霧化了的熔化金屬,

10、待液態(tài)金屬固化后形成金屬表面。受噴涂設(shè)備和母模受溫限制,通常所用金屬材料是低熔點(diǎn)金屬,如鉛錫合金、鋅合金和鎳等,常用的噴涂方法是電弧噴涂。如果母模能夠耐受高溫,也可以噴涂高熔點(diǎn)金屬如不銹鋼。此種模具用于注射成型的壽命可達(dá)2 500 件左右,與純金屬模具相比不能用更大的夾持力。研究成果表明,若在母模表面噴涂鎳可進(jìn)一步提高模具使用壽命,因其具有較高表面硬度( HV = 5 400 N/ mm2 ) 和耐磨性,抗腐蝕性好,開模后注射成型件容易取出。這樣的模具在不到兩天時(shí)間內(nèi)就可制作完成。注意這類模具的使用溫度不能超過300 。4 鎳和陶瓷混合物模具制造技術(shù)此法利用塑料RP 模型作為母型,在母型上用電

11、鍍的方法鍍上一層鎳金屬,制造出一個(gè)鎳金屬薄殼,這個(gè)薄殼與母型接觸的那個(gè)表面完全反映了待注射成型零件的表面形狀及尺寸特征。由于薄殼的強(qiáng)度低,因此在薄殼的非成型面以高強(qiáng)度陶瓷粉充填,要求陶瓷材料具有很小的收縮系數(shù)和合適的熱物理性能。這種復(fù)合材料模具非常適合制造尺寸較大零件(大于250 mm ×250 mm ×250 mm) ,如若母型用立體光造型(SL) 方法制作,則此法的尺寸精度將不低于SL 件的精度,用于塑料注射成型時(shí)其壽命至少為5 000 件。5 3D Keltool 模具Keltool 是目前被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的由一種快速制造金屬模具的方法。它首先用RP 母模型制造出

12、精度較高等的硅膠模,再往硅膠模中注入精細(xì)粉狀的A6 工具鋼(或不銹鋼) 與顆粒更加細(xì)小的碳化鎢的混合物(注意粉末顆粒的大小是控制模具最終質(zhì)量的一個(gè)非常重要的因素) 。然后再向混合物中加入環(huán)氧樹脂類的粘結(jié)劑,從而使金屬粉末混合物在硅膠模中形成綠件。開模后把綠件在爐中加熱從而使粘結(jié)劑揮發(fā)，同時(shí)使金屬粉末混合物燒結(jié)成型,這時(shí)的模件中仍有30 %的空隙,所以還需做最后滲銅處理,最終得到可用于大批量生產(chǎn)(達(dá)百萬件) 的硬模具。其尺寸精度每250 mm 誤差為±0. 04 mm。不足的是這種方法所能制造的最大模具尺寸目前僅為127 mm。一般用此法可在十多天內(nèi)完成模具型腔或型芯的制作,與傳統(tǒng)CN

13、C 機(jī)床加工制作相比節(jié)約25 %40 %的成本。6 鑄造法a) 陶瓷型精密鑄造法2在單件生產(chǎn)或小批量生產(chǎn)鋼模時(shí), 可采用此法。其工藝過程為: RP 原型作母模浸掛陶瓷沙漿在烤爐里固化模殼燒去母模預(yù)熱模殼燒鑄鋼(鐵) 型腔拋光加入燒注、冷卻系統(tǒng)制成生產(chǎn)用注塑模。其優(yōu)點(diǎn)在于工藝裝備簡(jiǎn)單, 所得鑄型具有極好的復(fù)印性和極好的表面光潔度以及較高的尺寸精度。工程塑料可以高溫氣化, 沒有殘?jiān)? 適用于熔模制造。b) 砂型鑄造法用RP 原型作模型來制作砂型,再鑄鋼而得到模具的工作部分, 如果澆鋼的性能得到大幅提高, 用此法幾乎可以制造各種模具, 且模具壽命不會(huì)有大的降低。ABS 材料的高強(qiáng)度特性, 適合制造大

14、的堅(jiān)固實(shí)心模型。c) 石蠟精密鑄造法在批量生產(chǎn)金屬模具時(shí)可采用此法。先利用RP 原型或根據(jù)翻制的硅橡膠、金屬樹脂復(fù)合材料或聚氨脂制成蠟?zāi)５某尚湍? 然后利用該成型模生產(chǎn)蠟?zāi)? 再用石蠟精鑄工藝制成鋼(鐵)模具來。另外, 在單件生產(chǎn)復(fù)雜模具時(shí), 亦可直接用RP 原型代替蠟?zāi)！Ｈ粲肧L 法, 可將原型制成疏松多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)以便快速澆損, 在氧氣充足的條件下, 樹脂原型可在980左右分解成水氣和CO2。d) 石膏鑄造法利用RP 原型翻制成石膏鑄型，然后在真空下澆鑄鋁、鋅等非鐵合金模, 它可小批量生產(chǎn)注塑產(chǎn)品。用RP 原型作模型澆注低熔合金, 作成低熔合金模, 可用來壓制鑄造用的砂芯。7 利用RP

15、原型制作電火花加工用的電極 EDM 方法在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛,它可用來加工形狀極其復(fù)雜的型腔和型芯,它可以加工硬度極高的用CNC 機(jī)床無法加工的材料,它還可以加工熱處理后的材料,從而避免加工后熱處理造成的熱變形。EDM 電極的質(zhì)量是影響加工件質(zhì)量的關(guān)鍵因素,電極本身的費(fèi)用占EDM 加工過程費(fèi)用的50 %80 %。目前多用石墨或銅電極,其使用壽命極短,有時(shí)為加工一個(gè)型腔需更換多個(gè)電極,嚴(yán)重影響EDM 的加工效率。用RP 方法就可快速制造任意形狀的EDM 電極, 可以彌補(bǔ)這個(gè)不足。a) 石墨電極成形法。利用RP 原型翻制石墨電極研具, 再利用研具采用平動(dòng)研磨法制造石墨電極,然后用電火花加工金

16、屬模具。b) 電鑄銅電極法。它是在RP 原形表面噴涂一層導(dǎo)電介質(zhì), 然后電鑄法在RP 原型的表面沉淀一層一定厚度的銅得到電鍍銅電極, 再利用電極電火花加工模具。電極成形法的優(yōu)點(diǎn)在于隨著模具型腔復(fù)雜程度的提高, 批量的增大, 其優(yōu)越性就越能得到體現(xiàn)。三 基于RP的快速模具制造需解決的問題利用RP 技術(shù)發(fā)展快速模具制造技術(shù)還存在以下主要問題需要解決或者說需要進(jìn)一步提高3。(1) 表面質(zhì)量如何滿足模具的要求,否則無法承受如注射成型這樣的高壓。分層制造法不可避免會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階,斜面時(shí)更嚴(yán)重,后處理是目前通用的作法。(2) 尺寸精度如何滿足模具制造的要求,尤其是制造較大模具時(shí),尺寸更不穩(wěn)定。(3) 用作母模

17、時(shí)的強(qiáng)度,耐熱和耐腐蝕性,形狀和尺寸的時(shí)效問題。(4) 塑料或樹脂類模具的導(dǎo)熱性很差，導(dǎo)熱差雖然帶來了可用較低注射壓力的好處,但生產(chǎn)周期太長也必須考慮。(5) 多數(shù)所謂金屬模具都需要最后滲銅,這就造成這種金屬模具的使用溫度不可太高,可能超過500 就不行了。(6) 使用壽命的進(jìn)一步延長和使用成本的進(jìn)一步降低。(7) 目前所能制造的模具的體積都很小,怎樣制造大型模具?(8) 受不可缺少的后處理工序的限制,目前還不能制造具有很小細(xì)節(jié)特征的模具,尤其是具有內(nèi)凹形狀的模具。(9) 目前快速成型方法所能成型的材料種類及其有限,需要開發(fā)新型材料。結(jié)束語快速成型技術(shù)的應(yīng)用已從原型制造發(fā)展到模具制造,使傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)煥發(fā)出新的活力,同時(shí)快速成型技術(shù)在快速模具制造領(lǐng)域的成功應(yīng)用無疑會(huì)給快速成型技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展注入新的生命力。需要注意的是A如今快速成型制造工藝過程的費(fèi)用相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械制造還是比較高的,不要寄希望于用快速成型的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)大批量生產(chǎn)的方法,即使將來有一天快速成型技術(shù)的制造成本和時(shí)間數(shù)值減少到現(xiàn)有數(shù)