模具加工6快速成型及快速制模技術(shù)

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術(shù)制模技術(shù) 快速制模技術(shù)包括傳統(tǒng)的低熔點合金模、電鑄模具的制造技術(shù)和以快速成型技術(shù)（Rapid Prototrping，RP）為基礎(chǔ)的快速制模技術(shù)。這里重點介紹后種快速制模技術(shù)。 快速成型技術(shù)（RP）問世不久，就出現(xiàn)了相當大的市場，發(fā)展非常迅速。人們對材料逐層添加法這種新的制造技術(shù)已逐步適應(yīng)。制造業(yè)有效地結(jié)合數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段，使快速成型技術(shù)已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強有力手段。在航空航天、汽車摩托車、家電、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。6.16.1快速成型制造技術(shù)的基本原理與特點快速成型制造技術(shù)的基本原

2、理與特點6.1.16.1.1快速成型制造技術(shù)的基本原理快速成型制造技術(shù)的基本原理1.快速成型制造技術(shù)的概念 快速成型制造技術(shù)（Rapid Prototyping & Manufacturing，RPM），由歐美、日本等發(fā)達工業(yè)國家提出，旨在解決常規(guī)機械加工或手工無法解決的問題?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)是多學科、技術(shù)的交叉產(chǎn)物，融合了機械工程、材料科學、計算機技術(shù)、數(shù)控、光學技術(shù)等前沿技術(shù)?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)可實現(xiàn)低成本、高生產(chǎn)率和短周期的生產(chǎn)特點。從設(shè)計和工藝的角度出發(fā)可以設(shè)計形狀復雜的零件，無需受時間、成本、可制造性方面的限制，如圖6.1所示。 圖6.1快速成型技術(shù)制造的產(chǎn)品根據(jù)材料的分離形式

3、把快速成型制造技術(shù)分為類： 1）材料去除成形 多余的材料（工藝余料）從基體上分離出去從而得到想要加工的模型形狀。 2）材料堆積成形 將材料通過合理的工藝方法堆積出想要加工模型。該模型的堆積過程是在計算機的控制下完成。圖6.2快速成型技術(shù)的主要內(nèi)容2.2.快速成型技術(shù)的基本原理快速成型技術(shù)的基本原理 快速成型（RP）一般來講是屬于堆積成形，通過離散的區(qū)域得到堆積的約束、路徑及方法，通過材料疊加堆積而形成三維實體模型。快速成型技術(shù)（RPT）將CAD、CAM、CNC、伺服反饋技術(shù)、光電子技術(shù)、新材料等技術(shù)集于一體，依據(jù)CAD系統(tǒng)構(gòu)建的三維模型，進行分層切片處理，得到各層切面的輪廓。 3. 快速成型技

4、術(shù)的基本特點快速成型技術(shù)的基本特點 快速成型技術(shù)系統(tǒng)將CAD、CAM等加工方式集與一體，他的應(yīng)用有如下特點： 1）用于新產(chǎn)品開發(fā) 通過RP技術(shù)，設(shè)計人員可以在較短時間內(nèi)得到所設(shè)計產(chǎn)品實物模型，評估該產(chǎn)品的可行性。 2）產(chǎn)品的加工不用刀具分離材料 采用數(shù)控技術(shù)控制多層疊料得到產(chǎn)品，因而材料得到了最大化應(yīng)用。 3）應(yīng)用快速制造技術(shù)制造模具 通過電鑄、電弧噴涂技術(shù)將塑料件制造金屬模具，把快速成形的原型當作消失模，進行精密鑄造；快速原型制造石墨電極，用該電極加工模具型腔等。4）不需要前期投入專門工裝 5）在逆向工程（Reverse Engineering）中有著廣泛的應(yīng)用 6.1.2快速成形加工的特點

5、快速成形加工的特點 與傳統(tǒng)的加工方式相比，快速成形在加工周期和成本上都有著無可比擬的優(yōu)勢，它突破了毛坯切削加工成品的傳統(tǒng)加工模式，不用刀具制造零件，基本上無廢料。 圖6.4是傳統(tǒng)加工方式和快速成形制造的工藝流程的對比 。6.1.3快速成型常用的軟件介紹快速成型常用的軟件介紹 快速成型要求在加工前，計算機上要有三維的數(shù)字化模型供切片處理。因此對于快速成形的CAD系統(tǒng)都要求有較強的三維處理能力。 三維模型的處理能力主要在兩個方面上的應(yīng)用：三位實體造型（Solid Modeling）和表面造型（Surface Modeling）功能。 快速成型行業(yè)中常用的軟件如下：1.三維模型的表達方法1）構(gòu)造型立

6、體幾何表達法2）邊界表達法 3）參量表達法 4）單元表達法 2快速成型技術(shù)中常用的文件格式(1) IGES/IGS (International Graphics Exchange Standard) 它是最老的一種標準，幾乎為所有CAD軟件供應(yīng)商所采用的 國際標準數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式。 （2）STEP（Standard for The Exchange of Product ） 這是一種近年來逐步國際標準化的標準，現(xiàn)在已為絕大多數(shù)軟件供應(yīng)商所采用。（3）STL（Stereo Lithography Interface Specification） 它是目前快速成形中最常見的一種文件格式，也為大多數(shù)C

7、AD供應(yīng)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光固化立體成形光固化立體成形（Stereo Lithography ApparatusSLA） 此工藝方法也稱為液態(tài)光敏樹脂選擇性固化。是一種最早出現(xiàn)的快速成形技術(shù)（RPT），它的原理如圖所示。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂3，它在激光束的照射下快速固化。 1-激光發(fā)生器； 2-成形零件；3-光敏樹脂；4-液體面； 5-刮平器； 6-升降臺 該方法制件精度可控制在0.1mm的范圍內(nèi)。適合成形小件，能直接得到塑料產(chǎn)品，表面粗糙度質(zhì)量較好 。 確定材料有污染，可能使皮膚過敏。 6.2.2疊層實體制造疊層實體制造（Laminated O

8、bject Manufacturing LOM） 疊層實體制造也稱薄形材料選擇性切割。根據(jù)三維模型提取的每一個橫截面的輪廓，在計算機的控制下，用CO2激光束對工作臺上的箔材沿輪廓線切割成所制制件的內(nèi)外輪廓。通過熱壓裝置將其與已切割的型面粘合在一起，激光束再一次進行新的輪廓切割，以此逐步得到各層截面，并粘結(jié)在一起，形成三維產(chǎn)品。 1-收紙輥；2-升降工作臺；3-加工平面；4-定位裝置（切割頭）；5-激光器；6熱壓輥；7-計算機；8-箔材帶；9-展開輥 6.2.2 疊層實體制造 LOM法原理圖6.2.3選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)（Selected Laser SinteringSLS） 該方法是

9、采用CO2激光器對粉末材料（如蠟粉、PS粉、ABS粉、尼龍粉、金屬粉、覆膜陶瓷粉）進行選擇性燒結(jié)。是一種將離散點一層一層堆積成三維實體的工藝方法，其原理如圖6.7所示。圖圖6.27 選擇性激光燒結(jié)原理圖選擇性激光燒結(jié)原理圖 成形時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作臺上均勻地鋪上一層很薄的粉末材料（0.10.2）mm。激光束在計算機的控制下，按照CAD模型離散后的截面輪廓的信息，對制件的實體部分所在區(qū)域的粉末進行燒結(jié)，使粉末熔化形成一層固化輪廓。一層完成后，再進行后一層的鋪粉燒結(jié)，最終形成三維產(chǎn)品 。6.2.4熔融沉積成形熔融沉積成形（Fused Deposition ModelingFDM）

10、 熔融沉積成形也稱絲狀材料選擇性熔覆，它不像前幾種工藝方法依靠激光光束作為能源，而是直接將絲材熔融，其原理如圖6.8。 6.8 熔融沉積成形原理圖 這種方法成形速度較慢，適合成形小塑料件，特別是瓶狀和中空件。該方法工藝簡單、費用較低，制件的翹曲變形小，但需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。但成形精度較低，難以構(gòu)建結(jié)構(gòu)復雜的零件。 6.3快速成形技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用快速成形技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用6.3.1快速制模技術(shù)的概念快速制模技術(shù)的概念 快速成型技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用稱為快速模具制造技術(shù)?？焖俪尚图翱焖倌＞咧圃旒夹g(shù)不僅適用于小批量的生產(chǎn)的模具，而且可以應(yīng)用于各種復雜程度的模具制造。 同傳統(tǒng)的模具制造工藝方法

11、比，它的制造時間為傳統(tǒng)工藝的1/31/10，而成本大概只有1/31/5。 6.3.2 快速制模技術(shù)的分類及應(yīng)用快速制模技術(shù)的分類及應(yīng)用 快速制模技術(shù)可以分為直接制模和間接制模，主要應(yīng)用于塑料模和金屬鑄造模的制造。圖6.9快速制模技術(shù)的實現(xiàn)方法。圖6.9 快速制模技術(shù) 1.直接快速制模技術(shù)直接快速制模技術(shù) （1）直接快速制模技術(shù)的工藝方法 1）利用SLA、SLS、LOM 等技術(shù)直接將CAD 模型加工成有一定機械性能要求的非金屬原型（產(chǎn)品）。 2）通過快速成型技術(shù)將含有粘接劑的金屬粉、金屬懸浮液、帶有金屬離子的塑料絲成形為半成品，再經(jīng)過粘接劑的去除、滲金屬等后續(xù)工藝制造模具。 3）直接以快速成型技

12、術(shù)生產(chǎn)金屬模具。 （2）直接快速制造金屬模具的工藝流程）直接快速制造金屬模具的工藝流程 1）準備模具的三維CAD數(shù)據(jù)模型。 2）激光快速成形 先在粉末顆粒外面包覆粘接劑，制成覆膜金屬。 3）逐層鋪粉 逐層燒結(jié)最后制造出三維實體的實物。 4）去粉 用毛刷輕輕去除多余的粉末，粉末可以重復使用。 5）去粘接劑 在快速成形機內(nèi)成形后，接著就是脫脂（去粘接劑）的后處理。 6）燒結(jié) 粘接劑去除后，溫度進一步升，達到700以上燒結(jié)，以提高工件的強度。 7）高溫滲金屬 該工藝使得制件表面質(zhì)量提高，同時填充由于粘接劑的蒸發(fā)而留下的空隙。 8）冷卻 最后冷卻的產(chǎn)品就是注塑模，該材料是鋼和銅的混合物，再經(jīng)過相應(yīng)的工

13、序處理如拋光、裝配、調(diào)試等，就可以進行塑料件的生產(chǎn)了。6.4電鑄模具電鑄模具6.4.1 電鑄工藝的原理電鑄工藝的原理 電鑄的原理和電鍍的原理相同，它是在母模表面上，通過電鍍的原理獲得適當厚度的金屬層，該金屬層從母模上分離出來，從而形成所需的型面。圖6.10電鑄成形原理圖 。1-加熱器；2-電鑄槽；3-陽極；4-電鑄槽；5-蒸餾水瓶；6-直流電源；7-玻璃管；8-母模；9-攪拌器；10-溫度計；11-溫度控制器 圖6.10電鑄成形原理 6.4.2 電鑄成形的工藝特點電鑄成形的工藝特點 電鑄成形工藝在型腔膜的制造中已得到廣泛的應(yīng)用，它有如下工藝特點： 1）由于與電鍍的的原理相當，因此該工藝的金屬沉

14、積的速度較慢，制造周期相應(yīng)也會較長； 2）電鑄層厚度較薄，而且易產(chǎn)生不均勻，因而變形會比較顯著； 3）電鑄件與母模的誤差很小，表面粗糙度相當； 4）可以將難以常規(guī)加工的內(nèi)腔轉(zhuǎn)化為電鑄母模的外形加工，降低了加工難度； 5）由電鑄獲得的型腔可滿足使用要求，一般不再修整； 6）可用制品來制母模，也可用電鑄方法復制已有的模具型腔，降低了加工的復雜程度，減少了工序，提高效率。6.4.3 電鑄成形的工藝流程電鑄成形的工藝流程 1）產(chǎn)品的數(shù)字化三維模型構(gòu)建；）產(chǎn)品的數(shù)字化三維模型構(gòu)建； 2）母模的設(shè)計制造）母模的設(shè)計制造 母模是為了母模是為了得到電鑄型腔而專得到電鑄型腔而專門制造的模型，它的外形與型腔的外形相反。門制造的模型，它的外形與型腔的外形相反。 3）加工前處理）加工前處理 包括：鍍脫模層、防水處理、鍍導電層、包括：鍍脫模層、防水處理、鍍導電層、絕緣包扎處理等工藝內(nèi)容。絕緣包扎處理等工藝內(nèi)容。 4）電鑄（電沉積）電鑄（電沉積） 通過電鑄鎳或電鑄銅、電鑄鐵實現(xiàn)。通過電鑄鎳或電鑄銅、電鑄鐵實現(xiàn)。 5）背襯加固）背襯加固 由于電鑄層較薄，一般需要加固。常用的工由于電鑄層較薄，一般需要加固。常用的工藝