快速成型技术的应用

摘 要：为迎合市场需要将产品快速推向市场并占据先机,快速成型技术将是解决这一问题的关键.快速成型技术（以下简称RP）是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控激光技术和材料科学为一体的新兴技术,采用离散堆积原理,将所设计物体的CAD模型转化为实体样件.由于此技术采用三维形体转化为二维平面分层制造的原理,对物体构成复杂性不敏感,因此物体越复杂越能体现它的优越性.

关 键 词：快速成型模具RP

一、快速成型的应用

以RP为技术支撑的快速模具制造RT（RapidTooling）也正是为了缩短新产品开发周期,早日向市场推出适销对路的、按客户意图写作的多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术.由于产品开发与制造技术的进步,以及不断追求新颖、奇特、多变的市场消费导向,使得产品（尤其是消费品）的寿命周期越来越短已成为不争的事实.例如,汽车、家电、计算机等产品,采用快速模具制造技术制模,制作周期为传统模具制造的1/3～1/10,生产成本仅为1/3～1/5.所以,

工业发达国家已将RP/RT作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一,我国也已开始了快速制造业的研究与开发应用工作.

二、基于RPM的快速模具制造方法

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、钻、磨、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RT直接或间接制作模具,使模具的制造时间大大缩短而成本却大大降低.

1.用快速成形机直接制作模具

由于一些快速成形机制作的工件有较好的机械强度和稳定性,因此快速成形件可直接用作模具.例如,Stratasys公司TITAN快速成形机的PP制件坚如硬木,可承受300℃高温,经表面处理（如喷涂清漆,高分子材料或金属）后可用作砂型铸造木模、低熔点合金铸造模、试制用注塑模以及熔模铸造的压型.当用作砂形铸造的木模时,它可用来重复制作50～100件砂型.作为蜡模的成型模时,它可用来重复注射100件以上的蜡模.用FDM快速成形机的ABS工件能选择性地融合包裹热塑性粘结剂的金属粉,构成模具的半成品,烧结金属粉并在孔隙渗入第二种金属（铝）从而制作成金属模.

2.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.

3.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.

4.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.

三、基于RP的快速模具制造的应用

利用硅橡胶模（SiliconRubberMold）制作佛头、线圈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.

所用的设备：Stratasys的Titan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）.

使用UG、PRO-E、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,处理后作为硅橡胶母模；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.

3、制作硅胶模具时的注意事项

对加成型硅橡胶而言,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.

下图分别是我们制作的佛头和线圈模具的照片.

四、RP的快速模具制造需解决的问题

利用RP技术发展快速模具制造技术还存在以下主要问题需要解决或者说需要进一步提高.

（1）表面质量如何满足模具的要求,否则无法承受如注射成型这样的高压.

（2）尺寸精度如何满足模具制造的要求,尤其是制造较大模具时,尺寸更不稳定.

（3）用作母模时的强度,耐热和耐腐蚀性,形状和尺寸的时效问题.

（4）塑料或树脂类模具的导热性很差,导热差虽然带来了可用较低注射压力的好处,但生产周期太长也必须考虑.

（5）多数所谓金属模具都需要最后渗铜,这就造成这种金属模具的使用温度不可太高,可能超过500℃就不行了.

（6）使用寿命的进一步延长和使用成本的进一步降低.

（7）目前所能制造的模具的体积都很小,怎样制造大型模具?

（8）受不可缺少的后处理工序的限制,目前还不能制造具有很小细节特征的模具,尤其是具有内凹形状的模具.

（9）目前快速成型方法所能成型的材料种类及其有限,需要开发新型材料.

五、结束语

快速成型技术的应用已从原型制造发展到模具制造,使传统的模具制造技术焕发出新的活力,同时快速成型技术在快速模具制造领域的成功应用无疑会给快速成型技术的进一步发展注入新的生命力.需要注意的是：

（1）随着快速成型技术的进一步发展,它在小批量生产和单体复制领域还是大有可为的.

（2）快速成型技术对模具制造的贡献,虽然现阶段制作的快速模具质量和寿命还不太尽人意,实践证明仍然可以应用于中小批量的注塑成型和模压铸造,相信快速模具制造技术会在短期内有很大突破.