第6章快速成形制造技術(shù)

6.1概述

6.2快速模具制造技術(shù)（RT,RapidTooling）

6.3基于RPM的快速模具制造方法

6.4RPM快速模具制造的應用

思考與練習6.1RPM概述用紙可以制造零部件，紙的強度有多大？它一撕就破，這是眾所周知的常識。如果告訴你，現(xiàn)在有種紙比木頭還硬，可以用于制造汽車零部件的樣件，你信不信？這不是天方夜譚，是事實。不得不承認，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，人類的智慧會創(chuàng)造出超越普通常識的神奇神話。其實真正神奇的，是支持這個系統(tǒng)的技術(shù)——快速成形制造技術(shù)。快速成形制造技術(shù)是降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期的有效手段。本章主要介紹快速成形制造技術(shù)的發(fā)展狀況和基于快速成形制造技術(shù)的快速模具制造方法，并結(jié)合具體實例分析其設(shè)計步驟、制作工藝及其一些關(guān)鍵性技術(shù)等?？焖俪尚危≧apidPrototyping,RP）技術(shù)作為一種先進制造技術(shù)，是用材料逐層或逐點堆積出零件的一種快速制造方法，又稱為快速出樣件技術(shù)或快速原型法。它與虛擬制造技術(shù)（VirtualManufacturing）一起，被稱為未來制造業(yè)的兩大支柱技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)對縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)費用具有極其重要的意義，有人稱快速成形技術(shù)是繼NC技術(shù)后制造業(yè)的又一次革命。RP技術(shù)從第一臺設(shè)備發(fā)展至今，并迅速地向快速成形制造（RapidPrototypingManufacturing,RPM）方向發(fā)展?？焖俪尚沃圃旒夹g(shù)是一種具有廣泛應用前景的正在不斷完善的高新技術(shù)。

6.1.1RPM的產(chǎn)生與發(fā)展

我國在國家自然科學基金委和國家科技部的支持下于90年代初進入RPM領(lǐng)域。華中科技大學、清華大學、北京隆源快速成形公司等單位在RPM 設(shè)備、材料和軟件方面進行了大量的研究，并先后完成了產(chǎn)品的開發(fā)和商品化工作，許多關(guān)鍵技術(shù)達到或領(lǐng)先國際先進水平。同時隨著市場競爭的日趨激烈，該技術(shù)將會被越來越多的企業(yè)所采用，對企業(yè)的發(fā)展，發(fā)揮越來越重要的作用，并將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。同時，快速成形技術(shù)作為一門多學科交叉的專業(yè)技術(shù)，其本身的發(fā)展，也將推動相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，比較成熟的制造工藝有數(shù)十種。典型的有SLA立體光刻、LOM分層實體制造、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、FDM熔融沉積制造和3DP三維印刷等。快速成形制造技術(shù)是采用分層的思想來制作三維物體，根據(jù)構(gòu)成物體的方式不同，有以下幾種成形方式：（1）添加成形添加成形（AddingForming）是充分利用計算機數(shù)據(jù)模型和自動成形系統(tǒng)相結(jié)合，采用材料添加的方法分層制造零件，可制造各種形狀復雜的零件，制造周期大大縮短、材料利用率高，在制造過程中不產(chǎn)生力，能量消耗較低。該工藝方法經(jīng)不斷發(fā)展和完善，形成了目前各式各樣的快速制造方法。。（2）去除成形去除成形（DislodgeForming）是以金屬切削工藝和特種加工工藝為代表，包括零件的傳統(tǒng)制造方法：車、銑、刨、磨、鏜、鉆等工藝；特種加工：線切割、電火花、激光加工等，都是采用在原始材料上通過不同的方法去除一部分多余的材料，從而達到設(shè)計所要求的形狀、尺寸和公差。也可看成零件做減法，即在毛坯上減去多余材料而獲得零件。該工藝的大部分能量消耗在去除材料上，因此無功資源消耗多、成本周期長、材料浪費嚴重。

（3）受迫成形受迫成形（NetForming）是利用材料的塑性，將半固化的流體材料通過模具或壓力的作用下，定形成各種形狀與尺寸的零件。典型的工藝方法有注塑、吹塑、擠壓、鑄造、鍛造、粉末冶金等。在模具制造業(yè)中，可以利用快速成形技術(shù)制得的快速成形，結(jié)合硅膠模、金屬冷噴涂、精密鑄造、電鑄、離心鑄造等方法生產(chǎn)模具；快速成形件也可以直接或間接制得EDM電極，用于電火花加工生產(chǎn)模具；快速成形技術(shù)制得的快速原型也可以直接作為模具。快速成形制造技術(shù)的進一步發(fā)展和開發(fā)工作主要在以下幾方面：(1)改善快速成形系統(tǒng)的可靠性、生產(chǎn)率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系統(tǒng)的制作精度；(2)開發(fā)經(jīng)濟型的快速成形系統(tǒng)；(3)快速成形方法和工藝的改進以及創(chuàng)新；(4)快速模具制造的應用；(5)開發(fā)性能好的快速成形材料；(6)開發(fā)快速成形的高性能軟件；(7)快速成形技術(shù)與CAD、CAE、CAPP、CAM以及高精度自動測量、逆向工程的一體化集成。6.1.2RPM的基本原理與特點1.RPM的基本原理RPM技術(shù)是綜合CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學、機械工程、電子技術(shù)和激光技術(shù)等于一體的技術(shù)，是實現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實體成形制造的一體化系統(tǒng)技術(shù)，采用軟件離散-材料堆積的原理實現(xiàn)零件的成形過程，其原理如圖6.1所示。RPM是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造復雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱，即利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成形機，將一層層的材料堆積成實體原型。在計算機控制下，基于離散/堆積原理采用不同方法堆積材料，最終完成零件的成形與制造的技術(shù)。從成形角度看，零件可視為逐點、線、面的疊加而成。從CAD模型中離散得到點、線、面的幾何信息，再與快速成形的工藝參數(shù)信息結(jié)合，控制材料有規(guī)律地、精確地由點、線到面，由面到體地逐步堆積成零件。從制造角度看，它根據(jù)CAD造型生成零件三維幾何信息，控制三維的自動化成形設(shè)備，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成成形或零件，其工藝流程如圖6.2所示。由圖6.2可知，首先是零件CAD數(shù)據(jù)模型的建立：設(shè)計人員可以應用各種三維CAD造型系統(tǒng)，包括進行三維實體造型，將設(shè)計人員所構(gòu)思的零件概念模型轉(zhuǎn)換為三維CAD數(shù)據(jù)模型；其次是生成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件：由三維造型系統(tǒng)將零件CAD數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成一種可被快速成形系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)文件，如STL、IGES等格式文件。目前，大多數(shù)快速成形系統(tǒng)采用STL格式文件，因STL文件易于進行分層切片處理。所謂STL格式文件是對三維實體內(nèi)外表面進行離散化所形成的三角形文件，所有CAD造型系統(tǒng)均具有對三維實體輸出STL文件的功能；再次進行分層切片處理：是將三維實體沿給定的方向切成一個個二維薄片的過程；最后是快速堆積成形：快速成形系統(tǒng)根據(jù)切片的輪廓和厚度要求，用片材、絲材、液體或粉末材料制成所要求的薄片，通過一片片的堆積，最終完成三維形體成形的制備。

2.RPM的特點RPM技術(shù)的特點主要有：（1）高速柔性化RPM是從“電子模型”直接制造零件，將三維實體離散，可以成形任意復雜的零件，取消了所有加工工具，因而具有極大柔性，任意零件直接成形。（2）技術(shù)高度集成化RPM是計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學技術(shù)、激光技術(shù)和機加工技術(shù)等多項交叉學科的綜合集成。它采用離散/堆積的方法，在計算機和數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，追求最大的柔性為目標。（3）產(chǎn)品開發(fā)快速化由于激光快速成形是建立在高度技術(shù)集成的基礎(chǔ)之上，從CAD設(shè)計到成形的加工完成只需幾小時至幾十小時，從而大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)的周期，降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和風險。尤其適合于小批量、復雜的新產(chǎn)品的開發(fā)。充分體現(xiàn)了其快速的優(yōu)越性。（4）設(shè)計制造一體化由于采用離散/堆積的分層制造工藝，充分利用了CAD/CAM一體化的優(yōu)勢，將設(shè)計制造集成。（5）制造自由成形化自由成形制造FFF（FreeFormFabrication）可以有兩個含義，一是不受工具限制，二是不受零件復雜程序限制。它根據(jù)零件的形狀，不受任何專用工具或模具的限制而自由成形，也不受零件任何復雜程度的限制，能夠制造任意復雜形狀與結(jié)構(gòu)、不同材料復合的零件。(6)材料使用廣泛性RPM技術(shù)所采用的材料隨該技術(shù)的發(fā)展也越來越廣泛，如金屬、紙張、塑料、樹脂、石蠟、陶瓷等材料在快速成形領(lǐng)域已有很好的應用。

6.1.3RPM的分類與工藝方法1.RPM的分類RPM技術(shù)在“分層制造”思想基礎(chǔ)上，根據(jù)分類的方法通?？煞譃榘床捎玫脑牧线M行分類和按制造工藝原理進行分類。

（1）按成形所采用的原材料分類①液體的光、熱聚合與固化液體聚合物的特性使其在激光、紫外光或其他熱源的照射線能迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)。采用這種方式的快速成形制造技術(shù)有立體印刷、全息干涉固化、光催化固化與光刻、激光束相干固化、熱聚合等。②固態(tài)膜、片材的熔化采用固體的膜或片材，用粘結(jié)劑或其他方法將切割下來的材料粘結(jié)而成形。常用的工藝方法有層合實體制造、膜聚合等。③固體粉末的燒結(jié)與粘結(jié)通過激光燒結(jié)或用粘結(jié)劑粘結(jié)將固體粉末聯(lián)接起來，未被照射的區(qū)域仍是粉末。采用這種制造工藝的有選擇性激光燒結(jié)、三維噴涂粘結(jié)等。④固態(tài)絲、線材的熔化采用固態(tài)的線材或絲材，通過加熱使其熔化成半流動狀，同時噴頭按要求的軌跡運動，將材料沉積下來，堆積成所需的形狀，冷卻后凝固成固體而成形。常見的工藝方法有熔融沉積造型、焊接成形等。（2）按制造工藝原理分類①層合實體造型（LOM）：LOM工藝采用薄片材料，用激光束在剛粘結(jié)的新層上切割出零件截面輪廓。②立體光刻（SLA）：SLA工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。③選擇性激光燒結(jié)（SLS）：SLS工藝是采用粉末狀材料成形的。④三維噴涂粘結(jié)（3DPG）：3DPG工藝采用粉末材料成形。其原理類似于噴墨打印機，因此又稱3D印刷。⑤熔融沉積造型（FDM）：FDM工藝一般采用熱塑性材料。2.RPM的工藝方法迄今為止，國內(nèi)、國外已開發(fā)成功了10多種成熟的快速成形工藝，其中比較常用的有以下幾種：（1）紙層疊法——薄形材料選擇性切割(LOM法)計算機控制的CO2激光束按三維實體模型每個截面輪廓線對薄形材(如底面涂膠的卷狀紙、或正在研制的金屬薄形材料等)進行切割，逐步得到各個輪廓，并將其粘結(jié)形成快速原型。用此法可以制作鑄造母?；蛴糜凇笆Ъ埦荑T造”。

（2）激光立體制模法——液態(tài)光敏樹脂選擇性固化(SLA法)液槽盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在計算機控制的激光束(按照三維模型每個截面的輪廓線)照射下會很快固化形成一層輪廓，新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復直至成形完畢，即形成快速原型。而新推出的光照成形機(如3DSystems公司出產(chǎn)的SLA-300成形機)采用了Zephyr再涂層技術(shù)，最上面待成形樹脂用真空吸附式刮板結(jié)構(gòu)涂布供給，不需要沉入液態(tài)樹脂中，提高了速度，在制作的原型中不再有液態(tài)樹脂。用來制作塑料模、在熔模精密鑄造中替代蠟模。（3）燒結(jié)法——粉末材料選擇性激光燒結(jié)(SLS法)粉末材料可以是塑料、蠟、陶瓷、金屬或它們復合物的粉體、覆膜砂等。粉末材料薄薄地鋪一層在工作臺上，按截面輪廓的信息，CO2激光束掃過之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實體片層，逐層掃描燒結(jié)最終形成快速原型。用此法可以直接制作精鑄蠟模、實型鑄造用消失模、用陶瓷制作鑄造型殼和型芯、用覆膜砂制作鑄型、以及鑄造用母模等。

此外還有粉末材料選擇性粘結(jié)法(TDP法)、直接殼型鑄造法(DSPC法)以及實體生長成形法(SGC法)等方法。上述快速成形的工藝方法都是基于計算機三維實體造型。在對三維模型進行處理后，形成截面輪廓信息，隨后將各種材料按三維模型的截面輪廓信息進行掃描，使材料粘結(jié)、固化、燒結(jié)，逐層堆積成為快速原型，這就是所謂的分層制造技術(shù)。幾種快速成形方法的特點及常用材料如表6.1所示。表6.1幾種快速成形方法的特點及常用材料成形方法SLALOMSLSFDM成形速度較快快較慢較慢原型精度較高較高較低較低制造成本較高低較低較低復雜程度中等簡單或中等復雜中等零件大小中小件中大件中小件中小件常用材料熱固性光敏樹脂等紙、金屬箔、塑料薄膜等石蠟、塑料、屬、陶瓷等粉末石蠟、尼龍、ABS、低熔點金屬等模具是制造業(yè)必不可少的手段，其中用得最多的有鑄模、注塑模、沖壓模和鍛模等。傳統(tǒng)制作模具的方法是：對木材或金屬毛坯進行車、銑、刨、磨、鉆、電蝕等加工，得到所需模具的形狀和尺寸。這種方法既費時又費錢，特別是汽車、摩托車和家電所需的一些大型模具，往往造價數(shù)十萬元以上，制作周期長達數(shù)月甚至一年。而基于RPM技術(shù)的快速模具制造技術(shù)，使模具的制造時間大大縮短而成本也大大降低。目前，快速成形制造技術(shù)在模具制造方面的應用可分為RP成形間接制模（IndirectRapidTooling,IRT）和RP成形直接制模（DirectRapidTooling,DRT），主要用于制造注塑類模具、沖壓類模具和鑄造類模具等。通過將精密鑄造、中間軟模過渡法以及金屬噴涂、電火花加工、研磨等先進模具制造技術(shù)與快速成形制造相結(jié)合，就可以快速地制造出各種金屬型模具來。如圖6.3所示為各種基于快速成形的RT工藝路線。6.2快速模具制造技術(shù)（RT,RapidTooling）6.2.1直接制模技術(shù)DRT較好的解決模具加工成本高、周期長的方法就是采用快速成形直接制造模具。直接制模技術(shù)DRT是指利用RP技術(shù)直接制造出最終的零件或模具，然后對其進行一些必要的后處理即可達到所要求的力學性能、尺寸精度和表面質(zhì)量。直接制模具有制造周期短，節(jié)省資源，發(fā)揮材料性能，提高精度，降低成本的特點。但它在模具精度和性能控制等方面比較困難，特殊的后處理設(shè)備與工藝使成形尺寸受到較大的限制。注塑模、壓鑄模等多種模具，常常需要用電火花機床（EDM）通過成形電極進行電加工。利用RPM成形或其工藝轉(zhuǎn)換模，采用研磨法、精密鑄造、電鑄、粉末冶金、石墨成形等方法，快速制作金屬電極和石墨電極，用于所需模具的加工，要比通常的機械加工方法具有速度快、質(zhì)量好、成本低、制造周期短的特點。6.2.2間接制模技術(shù)IRT間接指模技術(shù)IRT是指利用RPM技術(shù)首先制造模芯，然后用此模芯復制軟質(zhì)模具，或制作金屬硬模具，或者制作加工硬模具的工具。它通常以非金屬型為主，大多數(shù)情況下，非金屬成形無法直接作為模具使用，需要以RP成形作母模，通過各種工藝轉(zhuǎn)換來制造金屬模具。相對于直接制模來說，間接制模技術(shù)比較成熟。目前，制造業(yè)多數(shù)采用金屬模具間接制造工藝。間接制模的特點是將RP技術(shù)與傳統(tǒng)成形技術(shù)相結(jié)合，充分利用各自的技術(shù)優(yōu)勢，成為目前應用研究的熱點。間接制模工藝依據(jù)零件生產(chǎn)批量、模具材料和生產(chǎn)成本有如下幾種方法：1.硅橡膠模具硅橡膠模具是以RPM成形為母模，采用硫化的有機硅橡膠澆注制作硅橡膠軟管。其工藝過程為：對RPM成形進行表面處理，并在成形表面涂灑脫模劑；將成形放置?？虿⑦M行固定，同時在真空室對硅橡膠進行配置混合；抽去氣泡，向已準備好的模框內(nèi)澆注混合的硅橡膠液；待硅橡膠固化后開模，取出成形，便得到所需的硅橡膠模。2.環(huán)氧樹脂模具環(huán)氧樹脂模具是以液態(tài)環(huán)氧樹脂作為基體材料，將RPM成形進行表面處理并涂灑脫模劑，選擇設(shè)計分型面，然后進行環(huán)氧樹脂澆注，取出成形后，便得到所需軟質(zhì)模具。環(huán)氧樹脂模具制作工藝簡單，成本低廉，傳熱性好、強度高，適合于注塑模、吸塑模等模具。

3.金屬冷噴模具金屬冷噴模具是以成形為母模，將低熔點金屬充分霧化后以一定的速度噴射到樣模表面，形成模具型腔表面，背襯充填鋁的環(huán)氧樹脂或硅橡膠復合材料支撐，將殼與成形分離，得到精密的金屬模具和用快速成形直接加工金屬模具。其特點是工藝簡單、周期短、模具尺寸精度高、成本低。

4.精密陶瓷模具以RP成形為母模，用特制的陶瓷漿澆注成陶瓷鑄型，制成模具。6.3基于RPM的快速模具制造方法

1.用快速成形件作母模，復制軟模具(Softtooling)用快速成形件作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等軟材料，構(gòu)成軟模具或先澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂模(即蠟模的壓型)，再澆注蠟模。其中，蠟?？捎糜谌勰ｈT造，而硅橡膠模、環(huán)氧樹脂模等可用作試制用注塑?；虻腿埸c合金鑄造模。

2.用快速成形件作母模，復制硬模具(Irontooling)用快速成形件作母模，或據(jù)其復制的軟模具，可澆注(或涂覆)石膏、陶瓷、金屬基合成材料、金屬，構(gòu)成硬模具(如各種鑄造模、注塑模、蠟模的壓型、拉伸模)，從而批量生產(chǎn)塑料件或金屬件。這種模具有良好的機械加工性能，可進行局部切削加工，以便獲得更高的精度，或鑲?cè)肭秹K、冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等。用金屬基合成材料澆注成的蠟模的壓型，其模具壽命可達1000～10000件。

3.用快速成形系統(tǒng)制作電脈沖機床用電極用快速成型件作母體，通過噴鍍或涂覆金屬、粉末冶金、精密鑄造、澆注石墨粉或特殊研磨，可制作金屬電極或石墨電極。例題一：利用硅橡膠模(SiliconRubberMold)制作佛頭、線圈。

6.4RPM快速模具制造的應用案例分析硅橡膠有很好的彈性和復制性能，用它來復制模具可不考慮拔模斜度，基本不會影響尺寸精度，而且這種材料有很好的切割性能，用薄片就可容易地將其切開且切面間非常貼合，因此用它來復制模具時可以先不分上下模，整體澆注出軟模后，再沿預定的分模面將其切開，取出母模，即可得到上下兩個軟模。(1)試驗用設(shè)備和材料所用的設(shè)備：SPS-600激光快速成形機、HVC-1真空注型機和恒溫箱。所用的材料：日產(chǎn)KE-1310ST透明硅橡膠、日產(chǎn)CAT-1310固化劑(澆注時，KE-1310ST與CAT-1310以100：10混合)和PX215真空注型硬制聚氨脂樹脂(異氰酸脂，多元醇1∶1混合)。(2)制模工藝路線使用UG、SolidEdge等軟件進行三維實體造型，以STL文件格式保存；將文件輸入快速成形機作出制件原型，處理后作硅橡膠母模；組合?？蚝髮⒐柘鹉z和固化劑的混合物澆注于框中，通過真空脫泡、固化后剖切取出母樣即得硅膠模；最后在真空注型機中澆注塑料樣件。具體的制模流程如圖6.4所示。

3、分析尺寸了解零件各部分的定形，定位尺寸和零件的總體尺寸，以及注寫尺寸的所用的基準。4、看技術(shù)要求

分析技術(shù)要求，結(jié)合零件表面粗糙度、公差與配合等內(nèi)容。以便弄清加工表面的尺寸和精度要求。5、綜合考慮把讀懂的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸標注和技術(shù)要求等到內(nèi)容綜合起來，就能比較全面地讀懂這張零件圖。先看主要部分，后看次要部分；先看整體，后看細節(jié)；先看容易看懂部分，后看難懂部分(3)制作硅膠模具時的注意事項對加工成型硅橡膠而言，不要在室溫下固化，而以40℃～60℃加溫固化；分模面的選取一定要注意將外觀面朝下，在內(nèi)觀面的合適位置上放置膠棒；如果零件有倒鉤，可以在硅膠模上作45°切口，但注意不要割斷；在一些樹脂不易流滿的死角處，一定要做氣孔；對不容易進行分模的原型件，可以噴少許離型劑。此外，對形狀復雜(倒鉤、斜面很多)，兩半模無法滿足脫模條件的情況，開模時可以將硅橡膠模具剖開成數(shù)塊來處理。但要注意，在澆注塑料件的時候合模應精確，否則會因模具的錯位或合模不緊而影響澆注品的精度。(4)應用圖例如圖6.5所示和如圖6.6所示分別是我們制作的佛頭和線圈模具的圖例。例題二：利用電極(electroforming)快速制造精鑄擺桿。案例分析注射模等多種模具的型腔常常用電脈沖加工機床(EDM)制作。它是利用導電材料(金屬)在液體介質(zhì)中放電時的電腐蝕現(xiàn)象來對金屬材料(型腔)進行加工的，原理如圖6.7所示。

(1)精鑄擺桿制作工藝流程如圖6.8所示，在此擺桿制作工藝中，電極的制作是關(guān)鍵。我們首先用快速成形機制作出母件，在其表面進行金屬噴鍍構(gòu)成銅電極殼體，然后取出電極殼體，在電極殼體的背面注射環(huán)氧樹脂，用電極固定座與電極殼體連接構(gòu)成銅電極。這樣，精鑄擺桿電極就制作完成了。（2）注意事項①這種方法由于通過電極的電流較大會產(chǎn)生大量的熱，如果散熱不夠好，鍍層和母體易分離，導致電極鍍層畸變、破裂，加劇損耗。為此，可在電極中設(shè)置相應的冷卻道或在靠近鍍層處放入金屬嵌塊來改善導熱。②在電脈沖加工過程中，電極與被加工表面之間的間隙應適中。間隙過大，極間電壓不能擊穿極間介質(zhì)，從而不能產(chǎn)生火花放電；間隙過小，容易