单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第6章 模具的快速成型及快速制模技术,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。,6.1快速成型制造技术的基本原理与特点,6.1.1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.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,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CAD供应商所采用。,6.2快速成形加工的方法,6.2.1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,（Laminated Object 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,（Selected Laser SinteringSLS）,该方法是采用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6.27 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,（Fused Deposition ModelingFDM）,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,6.3.1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,（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）直接以快速成型技术生产金属模具。,（2）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,6.4.1 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 1）产品的数字化三维模型构建；2）母模的设计制造 母模是为了,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。3）加工前处理 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。4）电铸（电沉积）通过电铸镍或电铸铜、电铸铁实现。5）背衬加固 由于电铸层较薄，一般需要加固。常用的工艺方法有：喷涂金属、无机粘接、浇注环氧树脂等。6）脱模 一般对于方便取件用非破坏性脱模方法，如螺钉连接、台阶连接带出；对于难以取件的情况可用破坏性脱模方式，可以用各种物理、化学方法将母模与电铸件分开。7）后续加工 如开设流道、浇口等。,