基于快速成型技術(shù)的快速模具工藝分析

1、 基于快速成型技術(shù)的快速模具制造工藝分析目錄content1：研究背景：研究背景2：研究意義：研究意義3：國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4：研究?jī)?nèi)容：研究?jī)?nèi)容5：后期研究任務(wù)：后期研究任務(wù)1研究背景 隨著全球市場(chǎng)一體化的形成，制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為主要矛盾。在這種情況下，快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱RP技術(shù)) 應(yīng)運(yùn)而生。 RP技術(shù)是在計(jì)算機(jī)控制下，基于離散、堆積的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)。它的出現(xiàn)對(duì)于促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新, 縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期起到了積極的推動(dòng)作用。1研究背景圖1：3D打印產(chǎn)品實(shí)例1研究背景 但是, 快速

2、成型制件由于受所用材料性能的限制, 并不能夠完全應(yīng)用于工程實(shí)際。并且快速成型技術(shù)的基本原理決定了該工藝難于達(dá)到與傳統(tǒng)機(jī)械加工所具有的表面質(zhì)量和精度指標(biāo)。2研究意義 基于上述情況，人們?cè)O(shè)計(jì)了將快速成型應(yīng)用于模具加工的技術(shù), 這種新型技術(shù)簡(jiǎn)稱為快速模具技術(shù)(Rapid Tooling，簡(jiǎn)稱RT技術(shù)) 。2研究意義 RT 技術(shù)帶來了模具制造業(yè)的革命。相較于傳統(tǒng)的模腔內(nèi)成型方式（受迫成型, 如鑄鍛擠壓等）與毛坯切削成型（即去除成型, 如車、銑、鉆等）, RT技術(shù)是一種基于離散堆積成型思想的數(shù)字化成型技術(shù)。 快速成型配合傳統(tǒng)制模技術(shù)不僅適合單件小批的模具快速制造, 而且能適應(yīng)各種復(fù)雜的模具快速制造, 可

3、精確地制作出模具的型芯和型腔,并直接用于注射過程制作塑料樣件, 以便發(fā)現(xiàn)和糾正出現(xiàn)的錯(cuò)誤。 運(yùn)用RT技術(shù)與采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工制造模具相比, 其生產(chǎn)周期縮短1/3 1/10, 制造費(fèi)用降低1/31/5。3研究現(xiàn)狀 目前的快速模具制造技術(shù)主要集中在以下兩大研究方向： 直接快速制模DRT ( Direct Rapid Tooling) , 即用 SLS、 FDM、LOM 等快速成型工藝方法直接制造出樹脂模、陶瓷模和金屬模具; 間接快速制模IRT ( Indirect Rapid Tooling) , 即用快速成型件作母模或過渡模具, 再按傳統(tǒng)的模具制造方法來制造模具。 快速模具制造的工藝流程如圖2所

4、示。3研究現(xiàn)狀圖2：快速模具制造的工藝流程3研究現(xiàn)狀3.1直接制模 直接制模是用選擇性激光燒結(jié)(SLS) 、熔融沉積制造(FDM) 、疊層實(shí)體制造( LOM) 等快速成型 工藝直接制造樹脂模、陶瓷模和金屬模等模具。其優(yōu)點(diǎn)是制模工藝簡(jiǎn)單、精度較高且工期短, 缺點(diǎn)是單件模具成本較高, 適合于樣件試制。直接制模包括以下四種：SLA 工藝直接制模LOM 工藝直接制模SLS 工藝直接制模FDM 工藝直接制模3研究現(xiàn)狀3.1.1 SLA 工藝直接制模 光固化成型( SLA) 工藝直接制模是將激光聚焦到液態(tài)固化材料( 如光敏樹脂) 表面, 令其有規(guī)律地 固化, 由點(diǎn)到線、 由線到面地完成一個(gè)層面的建造。然后

5、升降平臺(tái), 移動(dòng)一個(gè)層片厚度的距離, 重新覆蓋一層液態(tài)材料, 再建造一個(gè)層。由此層層疊加, 成為一個(gè)三維實(shí)件。3研究現(xiàn)狀3.1.2 LOM 工藝直接制模 疊層實(shí)體成型( LOM) 制模工藝是: 先將單面涂有熱熔膠的紙通過加熱輥加壓使其粘結(jié)在一起。位于其上方的激光器按照分層CAD 模型所獲得的數(shù)據(jù), 將一層紙切割成零件的內(nèi)外輪廓, 然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面, 通過熱壓裝置, 將下面已經(jīng)切割的層粘合在一起, 用激光再次進(jìn)行切割。3研究現(xiàn)狀3.1.3 SLS 工藝直接制模 選擇性激光燒結(jié)(SLS) 工藝可以采用樹脂、陶瓷和金屬粉末等多種材料直接制造模具和鑄件。在層面制造與逐層堆積的過程中, 用激光

6、束有選擇地將可熔化粘結(jié)的金屬粉末或非金屬粉末(如石蠟、塑料、樹脂沙、尼龍等) 一層層地掃描加熱, 使其達(dá)到燒結(jié)溫度并燒結(jié)成型。當(dāng)一層燒結(jié)完后, 工作臺(tái)降下 1層的高度, 鋪下第一層的粉末, 再進(jìn)行第二層的掃描, 新燒結(jié)的一層牢固地粘結(jié)在前一層上, 如此重復(fù), 最后燒結(jié)出與CAD模型對(duì)應(yīng)的三維實(shí)體。3研究現(xiàn)狀3.1.4 FDM 工藝直接制模 熔融沉積(FDM) 制模法采用熱熔噴頭, 使處于半流動(dòng)狀態(tài)的材料按模型的CAD 分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠壓并沉積在指定的位置凝固成型, 逐層沉積 凝固后形成整個(gè)模型, 這一技術(shù)又稱為熔化堆積法、熔融擠出制模法等。熔融沉積制模技術(shù)用液化器代替了激光器, 其技術(shù)關(guān)鍵

7、是可得到具有一定粘度、易沉積、擠出尺度易調(diào)整的材料。根據(jù)成型零件的形態(tài)一般可分為熔融噴射和熔融擠壓兩種成型方式。該技術(shù)可以制作多種材料的原型, 如石蠟原型、塑料原型、陶瓷零件原型等。3研究現(xiàn)狀3.2 間接制模法 間接制模法是利用 RP 技術(shù)制造模芯, 然后以此模芯作為母模復(fù)制加工硬模具。 目前各種間接制模工藝基本成熟, 依據(jù)材質(zhì)不同, 一般將間接制模法生產(chǎn)出來的模具分為軟質(zhì)模具和硬質(zhì)模具兩大類。 3研究?jī)?nèi)容3. 2. 1 軟質(zhì)模具 軟質(zhì)模具因其使用的是軟質(zhì)材料( 硅橡膠、環(huán)氧樹脂、低熔點(diǎn)合金等) 而得名。目前成熟的軟質(zhì)模具制造方法主要有硅橡膠澆注法、環(huán)氧樹脂澆注法、金屬噴涂法等。3研究?jī)?nèi)容3.

8、 2. 2 硬質(zhì)模具 硬質(zhì)模具指的就是鋼質(zhì)模具, 適合于上萬(wàn)件乃至幾十萬(wàn)件的產(chǎn)品。利用 RP 原型制作鋼制模具的主要方法有熔模鑄造法、電火花加工法、陶瓷型精密鑄造法等。4研究?jī)?nèi)容 以上論述了各種不同的快速模具技術(shù), 給生產(chǎn)制造提供了廣闊的選擇范圍, 因此, 對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行比較是很必要的。下面將從模具的壽命、模具的制作成本、模具的生產(chǎn)周期三個(gè)方面對(duì)這幾種技術(shù)進(jìn)行研究比較。4研究?jī)?nèi)容4. 1 模具壽命的比較 隨著原型制造精度的提高, 各種間接制模工藝己基本成熟, 其方法則根據(jù)零件生產(chǎn)批量不同而各異： 常用的硅膠模具壽命在50件以內(nèi); 環(huán)氧樹脂模具在數(shù)百件以內(nèi); 金屬冷噴涂模具在3000件以內(nèi); 快

9、速制作的EDM電極加工鋼模在5000件以內(nèi)； 軟質(zhì)模具生產(chǎn)制品的數(shù)量一般為50 5000件； 硬質(zhì)模具的壽命已經(jīng)達(dá)到上萬(wàn)件甚至幾十萬(wàn)件。4研究?jī)?nèi)容4. 2 模具工藝性的比較 用快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速模具制造的方法很多, 表1中列出了常見制模工藝參數(shù)的比較。 4研究?jī)?nèi)容國(guó)內(nèi)研究國(guó)外研究表1 常見制模工藝參數(shù)比較4研究?jī)?nèi)容 由于各種成型技術(shù)所采用的材料不同, 所以各種快速成型件的性能也各具特色。有的快速成型適合用作熔模鑄造的消失模, 如FDM法制作的制件受熱膨脹小而且燒熔后基本不會(huì)有殘留物; 而有的快速成型制件則由于材料的緣故不適合作消失模, 但由于其具有良好的力學(xué)性能, 所以可以直接作塑料、蜂蠟和

10、低溫合金的模。 各種常見直接制模鑄造工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。4研究?jī)?nèi)容國(guó)內(nèi)研究國(guó)外研究表2 常見直接制模鑄造工藝優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比4研究?jī)?nèi)容4. 3 模具成本的比較 直接制模法在表面精度、尺寸精度及綜合力學(xué)性能等方面尚難以滿足需要高精度、高表面質(zhì)量的耐久模具制造要求, 且受成本、尺寸規(guī)格限制。采用 RP 技術(shù)制模相對(duì)于傳統(tǒng)加工法明顯降低了制模成本, 制作周期也大幅減短。表3列出常見快速成型制模方法與傳統(tǒng)加工制模方法的加工成本比較。4研究?jī)?nèi)容表3 常見快速成型制模與傳統(tǒng)制模成本比較5后期研究任務(wù) 模具制造技術(shù)在制造業(yè)中處于關(guān)鍵地位, 快速模具制造技術(shù)的開發(fā)研究倍受關(guān)注。目前快速模具制造技術(shù)面臨的關(guān)鍵問

11、題和研究任務(wù)集中在以下方面: 1) 快速軟模及陶瓷等模具的使用范圍受到限制, 壓鑄、注塑、沖壓等主導(dǎo)模具的金屬?？焖僦圃焓荝T技術(shù)努力的方向; 2) 間接制模法與直接制模法相比, 雖然在實(shí)用化方面占優(yōu)勢(shì), 但因工序較多, 受材料性質(zhì)及制造環(huán)境的影響, 精度控制難度大。開發(fā)尺寸穩(wěn)定性好的制模材料、 減少制模工序是提高間接制模法精度的關(guān)鍵; 5后期研究任務(wù)3) 直接制模法在表面精度、尺寸精度及綜合力學(xué)性能等方面仍難滿足需要高精度、高表面質(zhì)量的耐久模具制造要求, 且受成本、尺寸規(guī)格限制。低成本且適用于精細(xì)加工及多種材料成型的堆積和去除成形技術(shù)的集成, 將是提高直接制模法的實(shí)用性、材料適應(yīng)性和表面精度

12、的有效方法; 4) 快速制模法適合我國(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)。要進(jìn)一步提高快速制模技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，必須開發(fā)加工數(shù)據(jù)生成較數(shù)控加工數(shù)據(jù)生成更容易，并能獲得所需的尺寸及表面精度材料選擇范圍廣的直接快速制模新方法。參考文獻(xiàn)1C.K.Chua,S.H.Teh,R.K.L.Gay.RapidprototypingversusvirtualprototypinginproductdesignandmanufacturingJ.TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology.2009(8)2鄭志敏. 快速模具技術(shù)現(xiàn)狀及