快速制模技術(shù)探析
發(fā)布時(shí)間：2011-02-14 10:01:31
隨著全球經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步一體化，制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)顯得越發(fā)激烈。如何縮短生產(chǎn)周期并降低成本，成了制造業(yè)首要考慮的問(wèn)題。提高產(chǎn)品的開發(fā)速度和生產(chǎn)的柔性化程度成為共同的目標(biāo)。
快速模具制造技術(shù)（RT）就是適應(yīng)這種市場(chǎng)需求，能快捷、方便地制作工具和模具的一種新型技術(shù)。以快速成形技術(shù)為基礎(chǔ)的快速制模技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，是傳統(tǒng)的制模方法與快速成形技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，快速制模技術(shù)從產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)到原型件模型的制作，直到產(chǎn)品模具的制造、產(chǎn)品的生產(chǎn)都顯示出了無(wú)比的優(yōu)越性。
從古代的手工制作到后來(lái)的CAD畫圖，再到現(xiàn)在的RT，它的發(fā)展也就形成了一個(gè)綜合的制造系統(tǒng)。
快速制模技術(shù)適合中國(guó)國(guó)情，具有廣闊的應(yīng)用前景。與高速銑削加工相比，在表面帶精細(xì)復(fù)雜形狀和電火花加工難以省去的金屬模具制造方面占有優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)模具材料、生產(chǎn)成本、RP原型的材料、生產(chǎn)批量、模具的精度要求已開發(fā)出多種多樣的工藝方法。目前的快速制模方法大致有間接制模法和直接制模法，基于RP快速制造模具的方法多為間接制模法。依據(jù)材質(zhì)不同，間接制模法生產(chǎn)出來(lái)的模具有軟模、橋模和硬模。
軟模（soft tooling）通常指的是硅橡膠模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技術(shù)制作的原型，再翻成硅橡膠模具后，向模中灌注雙組份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。橋模（bridge tooling）通常指的是可直接進(jìn)行注塑生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂模具。采用環(huán)氧樹脂模具與傳統(tǒng)注塑模具相比，成本只有傳統(tǒng)方法的幾分之一，生產(chǎn)周期也大大減少。模具壽命不及鋼模，但比硅膠模高，可達(dá)1000～5000件，可滿足中小批量生產(chǎn)的需要。硬模（hard tooling）通常指的就是鋼質(zhì)模具，即用間接方式制造金屬模具和用快速成形直接加工金屬模具。
快速原型技術(shù)（RP）
快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱RP）于1988年誕生于美國(guó)，迅速擴(kuò)展到歐洲和日本，并于九十年代初期引進(jìn)中國(guó)。快速原型技術(shù)（RP）是采用材料累加思想，快速制造產(chǎn)品原型的新型綜合技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、電器、航天航空、軍工等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域，開創(chuàng)了模具快速制造的新時(shí)代，發(fā)展前景廣闊。
傳統(tǒng)的切削加工是不斷地去除毛坯上的多余材料而得到制件，而RP技術(shù)是采用基于材料累積制造的思想，把三維立體看成是無(wú)數(shù)平行的、具有不同形狀的層面的疊加，能快速制造出產(chǎn)晶原型。
快速原型制造技術(shù)（RP）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（CHC）、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、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一層層粘結(jié)劑等），形成各截面輪廓并逐步疊加成三維產(chǎn)品。目前，它已成為現(xiàn)代制造業(yè)的支柱技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)并行工程、集成制造技術(shù)和技術(shù)開發(fā)必不可少的手段之一。
用于快速原型制造的材料有：液態(tài)光敏樹脂、粉末材料、熱塑性材料和薄片材料等?？焖僭椭圃彀闯尚尾牧霞凹夹g(shù)的不同，發(fā)展了立體光刻造型法（SL）、粉末燒結(jié)法（SIS）、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）。
與傳統(tǒng)的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）可迅速制造出自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期；
（2）屬非接觸加工，不需要機(jī)床切削加工所必需的刀具和夾具，無(wú)刀具磨損和切削力影響；
（3）無(wú)振動(dòng)、噪聲和切削廢料；
（4）可實(shí)現(xiàn)夜間完全自動(dòng)化生產(chǎn)；
（5）加工效率高，能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具。
基于RP技術(shù)的部分快速模具制造實(shí)例
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一、車燈殼的硅膠制模
真空澆鑄技術(shù)是快速原型/快速制模技術(shù)領(lǐng)域中較新的技術(shù)，常用于軟質(zhì)模具制造。下面就介紹用真空澆鑄技術(shù)來(lái)制造車燈殼硅膠模的過(guò)程。
1. 試驗(yàn)設(shè)備
所用設(shè)備包括MK-Mini真空澆鑄機(jī)、太陽(yáng)能電子天平、靜音空壓機(jī)、脫模工具和耗材。模具制作材料用硅膠T2和硬化劑（一般按10:1的比例配制）。
2. 硅膠模的制作過(guò)程
（1）原型表面處理
用一般的快速原型成形方法制作的車燈原型件，其疊層斷面之間一般常存在縫隙或凹凸不平的臺(tái)階紋，通常需要進(jìn)行防滲處理、強(qiáng)化處理以提高原型的抗?jié)裥?、抗熱性和尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)，要對(duì)原型表面進(jìn)行清潔以提高表面的光滑程度。只有原型表面足夠光滑，才能保證制作的硅膠模型腔的光潔度，進(jìn)而確保翻制的產(chǎn)品具有較高的表面質(zhì)量和便于從硅膠模中取出。
（2）硅膠和固化劑計(jì)量，混合并抽真空
首先依據(jù)原型件（車燈殼）的尺寸和形狀估計(jì)原型件的體積，再計(jì)算出型箱的體積，兩者相減即得所需硅膠的體積。根據(jù)硅膠的密度計(jì)算硅膠的重量和硬化劑的重量（兩者比例約為10:1），然后混合并放入MK-Mini真空澆鑄機(jī)里抽真空，這主要是除去膠料攪拌時(shí)混入的空氣及部分反應(yīng)產(chǎn)物。在這個(gè)過(guò)程中需要注意的是依據(jù)估計(jì)的原型件體積來(lái)稱取硅膠時(shí)要適量，型箱體積取得過(guò)小，可以降低硅膠的用量，節(jié)省制模成本，但是會(huì)影響硅膠的使用效果且不利于硅膠模的澆注，從而使制作的模具存在缺陷；體積取得過(guò)大，既浪費(fèi)硅膠增加成本也增加了從硅膠模中取出產(chǎn)品的難度。
（3）選取分離面、貼膠紙并制作澆口
采用真空澆注技術(shù)原則上不管多復(fù)雜的零件，包括凸、側(cè)凹零件，都能成形。關(guān)鍵的問(wèn)題是要正確、精確地確定分離面的位置，因?yàn)樗苯佑绊懼鴿沧a(chǎn)品能否順利脫模以及產(chǎn)品澆注質(zhì)量的好壞。澆注口的定位應(yīng)該使得樹脂到達(dá)型箱各個(gè)邊緣的路徑長(zhǎng)短相同，這樣有利于澆注，甚至有可能省掉澆冒口。
澆注口信道位置的固定件最好用光滑的圓桿，通常使用硅膠棒。對(duì)于該車燈殼選取下表面為分離面，并在分離面上貼上膠紙，然后用硅膠棒制作澆口。澆口位置只能選取端面位置，不能選上下表面，因?yàn)檫@樣會(huì)影響車燈的表面光潔度和光學(xué)性能，從而影響質(zhì)量。
（4）硅膠澆注再抽真空固化并烘干
把排氣過(guò)的硅膠小心地從側(cè)面倒入型箱，硅膠沿著一側(cè)的箱壁進(jìn)入型箱，直到原型件全部沒(méi)入硅膠內(nèi)。把型箱放入MK-Mini系統(tǒng)中，再次進(jìn)行抽真空，目的主要是脫去在澆注時(shí)因吸附或受堵面殘存在膠料中的氣泡。這些氣泡對(duì)模具質(zhì)量有極大的影響，脫除不徹底會(huì)在模具表面產(chǎn)生氣孔等缺陷。對(duì)此排氣進(jìn)行的時(shí)間大約50分鐘，將硅膠從真空室里取出放烤箱中烘干，對(duì)硅膠進(jìn)行加速硬化。
（5）脫模
在硅膠硬化后，模具就可打開了。在打開之前通過(guò)澆注口通入壓縮空氣，使得模具與原型件分開，便于下一步脫模。
首先用筆在分離面畫出波浪線的分割線，再用小刀按波浪線切開硅膠模。由于硅膠的透明性，小刀切割的過(guò)程可以很清楚地看到。這里要注意小刀在盡可能地對(duì)著分離面，以防切開的截面與分離面離得太遠(yuǎn)。為防止?jié)沧r(shí)模具的錯(cuò)位，切割模具時(shí)，切口應(yīng)切成鋸齒狀。然后利用脫模工具將原型件取出后，將硅膠上殘留的膠帶和硅膠屑去掉，從而車燈的硅膠模具就制作出來(lái)了。
利用這個(gè)模具就可以制作出許多色樣但形狀相同的車燈殼產(chǎn)品了。
3. 產(chǎn)品的制作
把制作好的兩半硅膠膜具蓋上并用釘針固定。先抽真空然后再放入真空澆注機(jī)中，使?jié)沧⒖趯?duì)準(zhǔn)漏斗嘴，把產(chǎn)品材料放入Mini澆注機(jī)的杯中，起動(dòng)機(jī)器。通過(guò)澆道澆注，完后取出模具進(jìn)行烘干，待固化后，再取出模具開模，這樣產(chǎn)品就被制造出來(lái)了。產(chǎn)品可以根據(jù)需要選擇不同的顏色。從實(shí)驗(yàn)中可知，采用這種快速制模技術(shù)制作的產(chǎn)品無(wú)論是在質(zhì)量、式樣、還是表面精度，與原型件相比都不遜色，完全能滿足快速生產(chǎn)的要求。
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二、大型汽車覆蓋件模具的快速制作
傳統(tǒng)的大型汽車模具制造方法是首先通過(guò)鑄造獲得型坯，然后通過(guò)機(jī)加工的方法對(duì)型坯進(jìn)行加工來(lái)保證模具的尺寸。傳統(tǒng)的模具加工方法存在的缺點(diǎn)為：制造周期長(zhǎng)，成本高，降低模具開發(fā)的周期和成本成為急待解決的問(wèn)題。
快速模具制造（RT工藝）是一種新型的工藝，RT工藝方法之一是通過(guò)快速原型制造（RP工藝）獲得原型，通過(guò)無(wú)焙燒陶瓷型技術(shù)將原型轉(zhuǎn)換為陶瓷型，再進(jìn)行精密鑄造獲得尺寸精度較高、表面光潔度良好的鑄件，經(jīng)拋光處理后即得到所制造的模具。
清華大學(xué)激光快速成型中心與一汽集團(tuán)、一汽模具技術(shù)有限公司合作采用RP/RT技術(shù)制作大型汽車覆蓋件模具，制作步驟如下：
（1）用Pro/E造型軟件做出CAD模型。應(yīng)用MARC非線性有限元分析軟件對(duì)鑄件的凝固過(guò)程的尺寸精度進(jìn)行有限元分析，修改CAD模型。
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（2）LOM工藝制造模具凸凹模工作部分的原型，在殷華公司M-RPMS—II型設(shè)備上，應(yīng)用LOM分層實(shí)體制造工藝，采用YHCP-1004涂敷紙，完成模具凸凹模的原型制作，其余部分由砂型制造。
（3）凸凹模工作部分的原型采用M-RPMS-Ⅱ型多功能快速成型機(jī)制作，輪廓掃描速度為300mm/s，網(wǎng)格直線速度為500mm/s，二氧化碳激光器功率為35W，采用YHCP-1004涂覆紙，熱壓溫度為90℃，紙和膠層的總厚度為0.1mm-1mm。
（4）利用無(wú)焙燒陶瓷轉(zhuǎn)換技術(shù)將模具的凸、凹模原型轉(zhuǎn)換為陶瓷型，陶瓷型凝固時(shí)間為8-10分鐘，表面粗糙度Ra0.8-3.2。
（5）采用陶瓷型精密鑄造與消失模鑄造技術(shù)相結(jié)合的方法制造凸、凹模（包括工作部分和其它部分）。
（6）對(duì)鑄造得到的模具進(jìn)行簡(jiǎn)單的拋光、打磨，獲得所需的模具。
北京殷華激光成型及模具有限公司采用RP/RT技術(shù)完成了大型汽車覆蓋件模具的凸凹模制作，這是一個(gè)試驗(yàn)用板料沖壓模具，它的成功開辟了一條大型覆蓋件模具制造的新路。
快速制模技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
快速制模技術(shù)是在與傳統(tǒng)的機(jī)械加工制模技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的。雖然近年來(lái)高速銑削技術(shù)得到迅速發(fā)展，其高達(dá)10多萬(wàn)轉(zhuǎn)/分的銑削速度和良好的表面精度已大大提高了機(jī)械加工制模技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，再加上電火花加工技術(shù)，致使機(jī)械加工制模技術(shù)成為快速制模技術(shù)強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。但是，在制造表面帶微細(xì)形狀、流道復(fù)雜，以及具有梯度功能材料和不同材質(zhì)表面的模具等方面，快速制模技術(shù)也有著機(jī)加工無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
目前，中國(guó)的汽車、家電、電子/通訊、輕工等諸多行業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)越來(lái)越離不開快速制模技術(shù)。對(duì)于該技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展，我們的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是開發(fā)出具有原創(chuàng)性的短流程、高精度的快速制模所需的新材料和新工藝，以形成具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的快速制模核心技術(shù)。而當(dāng)務(wù)之急則是加大對(duì)于大中型、復(fù)雜形狀、耐久性、高精度金屬模具的快速及低成本制造新工藝和新材料的開發(fā)力度。
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