快速成型第5章 基于快速原型的軟模快速制造技術(shù)

1、第5章基于快速原型的軟模快速制造技術(shù)快速原型由于受其制造方法所要求的使用材料的限制，并不能夠完全替代最終的產(chǎn)品。因此，在新產(chǎn)品功能檢驗、投放市場試運(yùn)行獲得用戶使用后的反饋信息以及小批量生產(chǎn)等方面，仍需要由實際材料制造的產(chǎn)品。因此，利用快速原型作母模來翻制模具并生產(chǎn)實際材料的產(chǎn)品，便產(chǎn)生了基于快速原型的快速模具制造技術(shù)（Rapid Tooling， RT）。RT技術(shù)突出的特點就是其顯著的經(jīng)濟(jì)效益，它與傳統(tǒng)的數(shù)控加工：模具方法相比，周期和費(fèi)用都降低V1013左右，見表5l。近年來，工業(yè)界對RT的研究開發(fā)投入了日益 多的人力和資金，RT 的收益由此也獲得了巨大增增長 據(jù)SME統(tǒng)計，近年來RT服務(wù)的收

2、益年增長率均高于RP系統(tǒng)銷售。51 快速模具的分類及基本工藝流程基于RP的快速模具制造方法一般分為直接法和間接法兩大類。直接制模法是直接采用RP技術(shù)制作模具，在RP技術(shù)諸方法中能夠直接制作金屬模具的是選擇性激光燒結(jié)法（ SLS法）。用這種方法制造的鋼銅合金注塑模，壽命可達(dá) 5萬件以上。但此法在燒結(jié)過程中，材料發(fā)生較大收縮巳不易控制，故難以快速得到高精度的模具。目前，基于RP快速制造模具的方法多為間接制模法。間接制模法指利用RP原型間接地翻制模具。依據(jù)材質(zhì)不同，間接制模法生產(chǎn)出來的模具一般分為軟質(zhì)模具（SOft Tooling）和硬質(zhì)模具（Hard Tooling）兩大類。軟質(zhì)模具因其所使用的軟

3、質(zhì)材料（如硅橡膠、環(huán)氧樹脂等）有別于傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料而得名，由于其制造成本低和制作周期短，因而在新產(chǎn)品開發(fā)過程中作為產(chǎn)品功能檢測和投入市場試運(yùn)行，以及國防、航空等領(lǐng)域單件、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)方面均受到高度重視，尤其適合于批量小、品種多、改型快的現(xiàn)代制造模式。目前提出的軟質(zhì)模具制造方法主要有硅橡膠澆注這、金屬噴涂法、樹脂澆注法等。軟質(zhì)模具生產(chǎn)制品的數(shù)量一般為505000件，對于上萬件乃至幾十萬件的產(chǎn)品，仍然需要傳統(tǒng)的鋼質(zhì)模具，硬質(zhì)模具指的就是鋼質(zhì)模具。利用RP原型制作鋼質(zhì)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。圖51給出了基于RP的快速模具方法的分類及應(yīng)用。圖52給出的是基于R

4、P原型母模一次轉(zhuǎn)換澆注方法制作樣件或成型模具的工藝流程。52硅橡膠模具快速制造技術(shù)硅橡膠模具制造工藝是一種比較普及的快速模具制造方法。由于硅橡膠模具具有良好的柔性和彈性，能夠制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、無拔模斜度甚至具有倒拔模斜度，以及具有深凹槽類的零件，制作周期短，制件質(zhì)量高，因而備受關(guān)注。由于零件的形狀尺寸不同，對硅橡膠模具的強(qiáng)度大小要求也不一樣，因而制模方法也有所不同。目前，制模用硅橡膠為雙組分液體硅橡膠，分為縮合型和加成型兩類。縮合型模具硅橡膠的主要組分包括：端基和部分測基為羥基的聚硅氧烷（生膠）、填料、交聯(lián)利和硫化促進(jìn)劑。加成型模具硅橡膠的主要組分包括：端基和部分側(cè)基為乙烯基的聚硅氧烷（

5、生膠）、含氫硅油（交聯(lián)劑）、鉑觸媒（催化劑）、白炭黑（填料）。目前，這兩種模具硅橡膠材料已在國內(nèi)外許多行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。一般來說，縮合型模具硅橡膠的抗剪強(qiáng)度較低，在模具制造過程中易被撕破，因此很難用于那些花紋深、形狀復(fù)雜的模具。在用縮合型模具膠制造厚模具的過程中，由于縮會交聯(lián)過程中產(chǎn)生的乙醇等低分子物質(zhì)難以完全排出，致使模具在受熱時硅橡膠降解老化而顯著影響其使用壽命；同時由于乙醇等低分子物質(zhì)的排出致使硫化膠的體積收縮，從而造成模具的尺寸小于相應(yīng)的原型尺寸。因此，縮合型模具硅橡膠大多用做塑料與人造車生產(chǎn)中的高頻壓花模具，或用于一些尺寸要求不精密的工藝品制造。由于采用加成硫化體系，加成型模具硅橡

6、膠在硫化時不產(chǎn)生低分子化合物，因而具有極低的錢收縮率，膠料可以深部固化，而且物理性能、力學(xué)性能和耐熱老化性能優(yōu)異，成為了模具膠中正在大力發(fā)展的品種。加成型模具硅橡膠適用于制造精密模具和鑄造模具，而且模具制造工藝簡單，不損傷原型，仿真性好。521硅橡膠模具的特點硅橡膠具有良好的仿真性、強(qiáng)度和極低的收縮率。用該材料制造彈性模具簡單易行，無需特殊的技術(shù)及設(shè)備，只需數(shù)小時在室溫下即可制成。硅橡膠模具能經(jīng)受重復(fù)使用和粗劣操作，能保持制件原型和批量生產(chǎn)產(chǎn)品的精密公差，并能直接加工出形狀復(fù)雜的零件，免去銑削和打磨加工等工序，而且脫棋十分容易，大大縮短產(chǎn)品的試制周期，同時模具修改也很方便。此外，由于硅橡膠模具

7、具有很好的彈性，對凸凹部分澆注成型后也可直接取出，這是它的獨特之處。硅橡膠的這些優(yōu)點使它成為制模材料的佼佼者，一部分已進(jìn)入機(jī)械制造領(lǐng)域并與金屬模具相競爭。目前用硅橡膠制造的彈性模具已用于代替金屬模具生產(chǎn)蠟型、石膏型、陶瓷型、塑料件，乃至低熔點合金，如鉛、鋅以及鋁合金零件，并在輕工、塑料、食品和仿古青銅器等行業(yè)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，對產(chǎn)品的更新?lián)Q代起到不可估量的作用。利用硅橡膠制造模具，可以更好地發(fā)揮RP技術(shù)的優(yōu)勢。522基于快速原型的硅橡膠模具制作工藝由于RP技術(shù)生產(chǎn)出來的原型材料與硅橡膠不發(fā)生反應(yīng)，制造過程中沒有經(jīng)過變形，也不會產(chǎn)生褶皺，能夠生產(chǎn)出與精密塑料件一樣的表面質(zhì)量。以某電器上蓋的 LOM

8、原型為例，介紹硅橡膠模具的制作工藝。利用RP原型制作硅膠模具的工藝流程如圖5-3所示。（1）原型表面處理。 RP法制作的原型在其疊層斷面之間一般存在臺階紋或縫隙，需進(jìn)行打磨和防滲與強(qiáng)化處理等，以提高原型的表面光滑程度和抗?jié)裥耘c抗熱性等。只有原型表面足夠光滑，才能保證制作的硅膠模型腔的表面粗糙度，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）制作型框和固定原型。依據(jù)原型的幾何尺寸和進(jìn)膠模使用要求，設(shè)計澆注型樞的形狀和尺寸，型握的尺寸應(yīng)適中。在固定原型之前，需確定分型面和澆口的位置。分型面和澆口位置的確定是十分重要的，它直接影響著澆注產(chǎn)品能否順利脫模和產(chǎn)品澆注質(zhì)量的好壞。當(dāng)分型面

9、和澆道選定并處理完畢后，便將原型固定于型框中，如圖54a。（3）硅橡膠計量、混合并真空脫泡。硅橡膠用量應(yīng)根據(jù)所制作的型框尺寸和硅橡膠的比重準(zhǔn)確計量。將計量好的硅橡膠添入適當(dāng)比例的硬化劑，攪拌均勻后進(jìn)行真空脫泡。脫泡時間應(yīng)根據(jù)達(dá)到的真空度來掌握。（4）硅橡膠澆注及固化。硅橡膠混合體真空脫泡后澆注到已固定好原型的型框中，如圖54b所示。在澆注過程中，應(yīng)掌握一定的技巧。硅橡膠澆注后，為確保型腔充填完好，再次進(jìn)行真空脫泡，如圖54C所示。脫泡的目的是抽出澆注過程中摻入硅膠中的氣體和封閉于原型空腔中的氣體，此次脫泡的時間應(yīng)比澆注前的脫泡時間適當(dāng)加長，具體時間應(yīng)根據(jù)所選用的硅橡膠材料的可操作時間和原型大小

10、而定。脫泡后，硅膠?？勺孕杏不蚣訙赜不＜訙赜不煽s短硬化時間。（5）拆除型框、刀剖開模并取出原型。當(dāng)硅膠模硬化后，即可將型框拆除并去掉澆道棒等，如圖54d所示。參照原型分型面的標(biāo)記進(jìn)行刀剖開模（圖54e），將原型取出，并對硅橡膠模具的型腔進(jìn)行必要清理，便可利用所制作的硅橡膠模具在真空狀態(tài)下進(jìn)行樹脂或塑料產(chǎn)品的制造，如圖54f所示。523硅橡膠模具制作的若干問題在翻制硅橡膠模具時，硅橡膠模具的成本、壽命及尺寸精度是硅橡膠模具制作過程中需重點考慮的因素。l）型框尺寸較小，可以節(jié)省硅橡膠的用量，降低硅橡膠制模成本，但不利于硅橡膠的澆注；尺寸較大，既浪費(fèi)硅橡膠又降低了硅膠模的柔性，增加了從硅橡膠模

11、具中取出產(chǎn)品的難度。為使硅膠模大小適中，在搭建硅橡膠模具型框的時候，通常使型樞四壁、底面距RP模型邊緣20mm，側(cè)面擋板高度為RP模型的高度h再加上90mm，留出50mm的高度，以保證脫泡時硅膠不能溢出，如圖5-5所示。2）為了脫模方便，應(yīng)合理選取分型面。分型面通常選取投影面積最大的面。但是，由于硅橡膠材料具有較高的彈性，在開模時可以進(jìn)行粗劣的操作，因此有一些特殊結(jié)構(gòu)，如側(cè)面的小凸起等，在選取分型面時可以不予考慮。另外，對原型中的封閉通孔或不封閉的開口，為便于兩個半模在創(chuàng)切過程中容易分離，應(yīng)將其部位采用透明膠等封貼。3）對于較高的薄壁件，如果壁厚尺寸要求精確，在選擇分型面時要注意將薄壁整體置于

12、同一半模中，以減小因合?；蚰＞呃墪r引起薄壁型腔的變形而導(dǎo)致壁厚尺寸誤差。較高薄壁件分型面的選定如圖56所示。圖56a中分型面位置選取比較合理，使較高薄壁處的型腔位于上模。如果分型面的位置選為圖56b所示的位置，使得薄壁處的型腔由上下棋形成，這種情況下進(jìn)行合模，如果上下模位置放偏，則較高薄壁處的壁厚尺寸精度將難以保證。4）型框一般做成長方形或正方形，但是對于一些特殊結(jié)構(gòu)的零件，為了節(jié)省硅膠，降低成本，可按其形狀搭建型樞，如圖57所示，其中圖57a是水平方向示意圖，圖5-7是高度方向示意圖。5）對于存在大面積平面形狀的原型，當(dāng)貼好分型面后，應(yīng)合理選定澆道的位置及方向。對于單一澆道來說，如果在結(jié)構(gòu)

13、許可的情況下，澆道位置應(yīng)選在原型的重心附近。澆道的方位應(yīng)注意避免使大面積平面形狀置于型腔的最高位置，否則，該較大面積平面最后充型時，會因存在少量氣泡無法排出而導(dǎo)致該平面處存在較多氣孔。圖5-8給出了澆道方位擺放示意圖。圖5-8a為正確的澆道擺放方式，該方式下，材料充填過程逐漸將剩余的氣體從薄壁的上緣通過排氣孔排出。若將澆道設(shè)置為圖5-8b所示的方位，在填充的最后階段，剩余的氣體被圍困在產(chǎn)品較大面積的上表面處，該水平面上的氣泡無法流動而最終殘留在型腔中，在產(chǎn)品表面形成氣孔，影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。6）在刀剖開模的時候，手術(shù)刀的行走路線是刀尖走直線，刀尾走曲線，使硅橡膠模具的分型面形狀不規(guī)則，這樣可以

14、確保上下模合模時準(zhǔn)確定位，避免因合模錯位引起的誤差，如圖5-9所示。524經(jīng)濟(jì)型硅橡膠模具制作的一種工藝方法硅橡膠材料的成本較高，占據(jù)著硅橡膠模具制作小批量樣件的大部分成本，尤其是尺寸較大單件制品的制作。為此，人們一直在努力研究在該類技術(shù)方法中如何能夠節(jié)省硅橡膠材料的用量，而同樣也能夠制作出滿足要求的樣件來。在硅橡膠模具實際制適應(yīng)用中，對于有些特殊特征結(jié)構(gòu)的制件的硅橡膠模具制作，存在著較大的材料浪費(fèi)，如圖5-10所示。如果圖示中浪費(fèi)的硅橡膠材料部分用成本低廉的材料替代，會顯著降低硅橡膠模具制作的成本。這里以石膏替代材料為例，介紹一種經(jīng)濟(jì)型硅橡膠模具制作工藝方法.1適于經(jīng)濟(jì)型硅橡膠模具的母模原型

15、結(jié)構(gòu)特征并不是所有需要翻模復(fù)制的零件形狀都適合于上述提出的經(jīng)濟(jì)型硅橡膠模具制造方法。從經(jīng)濟(jì)性和效率兩方面考慮，以下幾種類型的零件比較合適：（1）局部具有較大空腔的零件，如圖5ll所示。空腔內(nèi)部尺寸較大，如全部用硅橡膠填充，必然造成較大浪費(fèi)。采用經(jīng)濟(jì)型方法，先在空腔內(nèi)面貼一定厚度的橡皮泥，再向空腔內(nèi)倒入石膏，待石膏凝固后設(shè)法除掉橡皮泥，向留出的空隙內(nèi)注入硅橡膠，實現(xiàn)材料節(jié)省。（2）沿某一方向，不同位置截面的尺寸差異較大的零件。具有該形狀特征的零件可分為以下兩類：l）具有臺階特征及類似結(jié)構(gòu)的零件，如圖512所示零件，如臺階之下部分的模具全部用硅橡膠填充，也會造成較大浪費(fèi)?？刹捎媒?jīng)濟(jì)型方法，將臺階周

16、圍起支撐作用的硅橡膠用石膏代替。2）具有拐角類特征的零件。根據(jù)研究，拐角內(nèi)側(cè)可將多余的硅橡膠以石膏替代，如圖513所示。2經(jīng)濟(jì)型硅橡膠模具制作工藝流程通過與石膏混合制作經(jīng)濟(jì)型硅橡膠模具工藝方法的流程為：原型或樣件-分型處理貼粘土或橡皮泥配石膏漿石膏造型去粘土澆注硅橡膠修型試制產(chǎn)品。具體的工藝過程如下：（1）安放原型貼粘土。對原型進(jìn)行必要的清理和處理后放置到平板上固定好，制作并固定模框，使原型周圍距?？虻木嚯x均勻，在樓框平板內(nèi)表面上涂刷脫模劑后，在原型表面貼橡皮泥，如圖5-14a所示。（2）澆石膏背襯。將配好的石膏漿澆注到?？蛑?，等待石膏漿固化，如圖5-l4b所示。（4）去除橡皮泥。五膏漿固化后

17、，去掉橡皮泥層，清理型膠，如圖5- 14C所示。粘在原型上的橡皮泥要清洗干凈，以免影響模具的表面質(zhì)量。（4）硅橡膠澆注。根據(jù)去掉的橡皮泥層的體積，計算所需調(diào)配的硅橡膠體積，再考慮一定的損耗，進(jìn)行硅橡膠的調(diào)配。調(diào)配均勻后，放入油真空裝置中排除硅橡膠混合體中的氣泡。脫泡后進(jìn)行硅橡膠澆注，如圖5- 14d所示。（5）取出原型。待澆注好的硅橡膠模具在室溫下固化或加熱固化后，取出原型，如圖5-l4e所示。425硅橡膠模具的應(yīng)用對于批量不大的注塑件生產(chǎn)，可以采用RP原型快速翻制的硅橡膠模具通過樹脂材料的真空注型來實現(xiàn)，這樣，能夠顯著縮短產(chǎn)品的制造時間，降低成本，提高效率。對于沒有細(xì)肋、小孔的一般零件，采用

18、硅橡膠模具澆注樹脂件可制作制品達(dá)到50件以上。采用硅橡膠模具進(jìn)行樹脂材料真空注型的工藝流程，如圖5-15所示。（1）清理硅膠模，預(yù)熱模具。為了保證注型件充填完全，需要在上模中離澆口較遠(yuǎn)的型腔較高處設(shè)置一系列的排氣孔。在進(jìn)行樹脂件澆注之前，應(yīng)進(jìn)行必要的清理工作，例如清除溝槽內(nèi)的殘留物，檢查排氣孔是否堵塞等。清理工作完成以后，將硅膠模具放入溫箱中進(jìn)行預(yù)熱。（2）噴灑離型劑，組合硅膠模具。為了便于注塑件從模具中取出，需要在模具型腔表面噴灑離型劑，特別要注意噴灑深溝槽、深孔等難以脫模處。噴灑完離型劑后，就可以將硅橡膠模具組合起來。不過，對于透明材料的制件，不宜噴灑離型劑。（3）計量樹脂。樹脂的重量通常根據(jù)原型的重量進(jìn)行估算，并根據(jù)澆注過程中材料的盈余進(jìn)行調(diào)整。初次澆注時，一般由原型的重量乘上一定的系數(shù)來初定所需澆注樹脂的重量。再根據(jù)規(guī)定的樹脂和硬化劑的配比即可算出所需樹脂和硬化劑各自的重量。（4）脫泡混合，真空注型。為了提高注件的致密