模具的快速成型及快速制模技术

第6章 模具的快速成型及快速制模技术

随着生产技术的进步，新材料和先进设备的出现，使市场竞争日趋激烈。各个生产厂家为缩短产品的研发、生产周期，降低生产成本和风险，使得快速成型及快速制模技术在生产中逐步得到了应用。

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。这里介绍后种快速制模技术。

快速成型技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，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。制造业利用这种现代化制造手段与传统制造技术的接轨的工作也进展顺利。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），在20世纪80年代中期由欧美、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、数控原理、光学技术等前沿技术。全世界大约有数百家专门研究机构进行这方面的研究。快速成型制造技术可以实现低成本、高生产率和短周期的生产特点。同时，从设计和工程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6.1.1所示。

图6.1.1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分为两类：

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，它是当前的主要加工方式，也是用得最为广泛的加工方法。

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的，因此成型的模型形状在理论上可以任意复杂。

图6.1.2为快速成型制造技术所涉及的主要工艺和设计内容

模型的原件

采集数据电云 产品逆向工程

薄片/层资料

输入

CAD模型（曲面、实体） IGES、STL、CLI等模型文件

形态分类：薄片、颗粒、线、粉末、液体

材料

按材质分类：纸、树脂、尼龙 、塑料、陶瓷

设计

应用 工程与分析 应用行业：航空、航天、汽车、医疗、消费产品

加工与制造

单激光光束

光硬化 双激光光束

方法 光罩曝光

剪切与粘结

熔接于固合

黏着

图6.1.2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。得到的轮廓再作为原始加工数据，激光束按照相应的轮廓切割一层一层的粉末材料（或固化的一层一层液态树脂，或一层一层的纸料）。也可以是喷头按照轮廓喷射一层一层的粘结剂或热熔材料（如塑料），从而形成各个切面并逐步累加得到三维模型的产品。它将复杂的三维加工简化成若干二维平面加工的组合。相对于传统产品的加工方式，省了许多工序，给周期和加工成本以很大影响。图6.1.3是成形原理图。

图6.1.3 快速成形原理图

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的时间内得到所设计的产品实体CAD模型 Z向分离（分层） 层面信息处理

层面制造与连接 层面全部完成 后处理

是 否 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）应用快速制造模具 通过电铸、电弧喷涂技术由塑料件制造金属模具；将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，用该电极加工出模具型腔等。

4）不需要前期投入专门工装 该加工方式对于批量、小量、单件均可进行相同的方式加工。特别对于新品试制，控制成本、减小风险有着重要作用。

5）在逆向工程（Reverse Engineering）中有着广泛的应用 通过激光扫描、自动断层扫描等技术将得到的数据构建成CAD 模型，然后再用于RP加工，可以将现有的产品复制，或按照生产需要加以改进等。在人造骨骼、手术计划模型等医学方面有广泛的用途。

4.快速成型的发展阶段

按照快速成型的发展的自动化程度，将其发展划分为三个阶段。

1）手工原型

• 长达若干年的传统工作与技能积累

• 原型被当作需要技能的工艺（依据传统，并且需要手工操作）

• 着重于原型的材料

• 采用的是“自然的”原型技术

2）虚拟原型

• 时间上从20世纪70年代中期

• 原型的复杂程度有所增加

• 虚拟原型能被用以施加外力，并被复制，可用于精密仪器测试一些特性

3）快速原型（快速成型）

• 时间上从20世纪80年代中期

• 特点是依赖于CAD技术的发展

• 能在短时间内制造出具有强度的原形件

• 能有助于提升产品的改型、制造、装配等等

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。因此有以下几个优点：

1） 可迅速制造出自由曲面和更为复杂的零件，不用担心常规加工不能加工的区域；

2） 由于它是非接触加工，因此，加工不需要专门的刀具、夹具等工装，也不用担心常规加工时机床震动；

3） 可实现无人值守的完全自动化；

4） 加工效率高，能快速制作出产品的实体模型和模具。

图6.1.4是传统加工方式和快速成形制造的工艺流程的对比。

a)传统加工 b)快速成形加工

图6.1.4 传统加工与快速成形的工艺流程

6.1.3快速成型常用的软件介绍

由于快速成型要求在加工前，计算机上要有三维的数字化模型，可供切片处理。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，后者对构造复杂的自由曲面有重要作用。快速成型行业中常用的有如下软件：

软件名称 开发公司

Pro/Engineer PTC

Autocad Autodesk

Unigraphics EDS

Catia IBM

1.三维模型的表达方法

随着计算机的辅助设计（CAD)技术的发展，出现了许多三维模型的表达方法，其中常见的有以下几种：

（1) 构造型立体几何表达法（Constructive Solid Geometry，简称CSG法）

构造型立体几何表达法用布尔（Boole）运算法则（并、交、减），将一些简单的三维几何基元（如立方体、圆柱体、环、椎体）予以组合，变化成复杂的三维模型实体。

（2) 边界表达法（Boundary Representation，简称B—rep） 设计

铸造 焊接 锻压

模具

毛坯

材料分离成形 粗加工

半精加工

精加工

工件 材料堆积成形 设计

工件

样件 模具 边界表达法根据顶点、边和面构成的表面来精确的描述三维模型实体。此方法的优点是：能快速的绘制立体或线框模型。缺点是：它的数据是以表格形式出现的，空间占用量大；修改设计不如CSG法简单。

（3) 参量表达法（Parametric Representation）

对于自由曲面，难于用传统的几何基元来进行描述，可用参量表达法。这些方法借助参量化样条、贝塞尔（Bezier）曲线和B样条来描述自由曲面，较好的一种是非均匀有理B样条（NURBS）法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率，能准确地描述几何基元。

为了综合以上方法的优点，现代CAD系统常采用CSG、B—rep和参量表达法的组合表达法。

（4) 单元表达法（Cell Representation）

单元表达法起源于分析（如有限元分析）软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形。在快速成型技术中采用的三角形近似（将三维模型转化成STL格式文件），就是一种单元表达法在三维表面的应用形式。

2．快速成型技术中常用的文件格式

(1) IGES/IGS (International Graphics Exchange Standard)

它使最老的一种标准，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。但是，在IGES的发展过程中，出现了下属的分支，而且各个供应商对IGES的标准理解不同，往往会出现各个CAD系统的IGES 文件标准的差异（如IGES128、IGES126等等）。

（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。就像CAE软件中的网格划分，它是将CAD模型离散成若干小三角形的平面组合。该方法对几何体的描述依赖于三角形的划分，通常对于细部特征需要较密的三角形，因而对于微小的细部特征可能描述不到或不清楚，现代快速成形制造中，越来越多的专家学者试图用其他文件甚至专用软件来描述CAD的实物模型，以便于模型前处理：如模型拓扑优化、模型转换、模型的分割合并及模型的切片处理等。

6.2快速成形加工的方法

6.2.1光固化立体成形（Stereo Lithography Apparatus—SLA）

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RPT，它的原理如图6.2.1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。成形开始时，可升降工作台6使其处于液面下一个很厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层，从而得到该截面轮廓的薄片。然后工作台下降一层的高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此同时新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复到整个产品完成，一般截面层厚度在0.076~0.038mm的范围。工件从料槽中取走后还需进行后固化，在工作台和工件取下后，将多余的树脂用溶剂清洗后，工件放入专门的后固化装置，经过一段时间的曝光处理后，工件才完全固化，而该时间的长短视材料、工件的大小和形状的复杂程度而定，再进行相应的打光、电镀、喷涂、着色等工艺措施。