陶瓷石膏模具的快速成型系統研究

徐晗 韓文 吳南星

（景德鎮陶瓷學院機電工程學院，江西景德鎮333403）

陶瓷石膏模具的快速成型系統研究

徐晗 韓文 吳南星

（景德鎮陶瓷學院機電工程學院，江西景德鎮333403）

為了改變傳統陶瓷石膏模具開發的落后現狀，開發出了一套陶瓷石膏模具快速成型系統。整個系統以CAD/CAM技術為核心，融合了反求工程技術和快速原型制造技術，滿足了陶瓷石膏模具快速開發的要求，使得設計制造過程更加數字化、規范化。

陶瓷，石膏模具，CAD，反求工程，CAM

1 引言

石膏模具是最早的也是使用最廣泛的一類模具，目前仍然廣泛應用于注漿、滾壓、旋壓等成形工藝中，是陶瓷行業不可缺少的輔助材料。

傳統的石膏模型制造過程為：先制造“型”又稱胎），由“型”翻制成種模（又稱為原始模，或胎模），再將種模的每一模片分別制成一個模，稱為母模。再以石膏從母模中澆注成大量生產用的工作模。石膏模型制造過程可見圖1所示。

傳統陶瓷石膏模具設計制造過程漫長且復雜，無法適應當前日益激烈的市場競爭。為了改變傳統陶瓷石膏模具開發的落后現狀，有必要將先進制造技術應用于陶瓷行業，開發出全新的陶瓷石膏模具設計制造工藝，以滿足陶瓷石膏模具快速開發的要求，使設計制造過程更加數字化、規范化。

為此，本課題選擇陶瓷石膏模具的快速成型系統作為研究對象，從CAD/CAM技術，反求工程技術、快速原型制造技術等方面對陶瓷石膏模具的設計制造工藝進行系統的研究。本系統利用計算機輔助設計以及三維掃描技術獲得陶瓷模具的三維數字模型，然后通過對該三維數字模型的處理生成數控加工程序，將該程序輸入數控加工設備對石膏進行數控加工，便得到所需要的陶瓷石膏模具。陶瓷石膏模具的

計算機輔助設計與制造過程見圖2所示。

2 陶瓷石膏模具CAD技術的研究

利用CAD系統軟件進行產品模型設計，其中三維造型設計是數字化產品的真實形狀設計，它完全表達了產品,能夠進一步為模具設計、分析和加工提供必要的數學模型。

本研究所使用的三維建模軟件為UG NX5.0軟件，UG NX是一款功能強大的三維設計軟件，主要用于汽車和機械行業，在航空領域也有部分企業在使用。相似軟件還有catia、proe等。UG NX包含了世界上最強大、最廣泛的產品設計應用模塊，具有高性能的機械設計和制圖功能，為制造設計提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設計任何復雜產品的需要。本研究所建立的數據庫中絕大多數模型都是由UG NX5. 0軟件直接進行三維建模，少部分是通過三維掃描技術獲得點云數據，然后導入UG NX5.0中進行編輯等操作，從而獲得所需要的三維數字模型。

3 陶瓷石膏模具反求工程技術的研究

反求工程(Reverse Engineering,RE),也稱逆向工程、反向工程,是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量,根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程,是一個從樣品生成產品數字化信息模型,并在此基礎上進行產品設計開發及生產的全過程。

在石膏模型制作中，利用實物測量進行快速反求建模，是產品仿型基礎上進行產品修改設計的重要技術。其基本原理是通過三坐標測量機或激光測量機對實物進行掃描測量，把測量所獲得的數字化的大量數據點送入高級CAD軟件的反求模塊或專用的反求軟件中，反求軟件可直接讀取點數據群,并可對點數據群進行編輯、過濾、整理、求精、排序、局部修改與重組,然后自動生成曲面，最終獲得同實物精確一致的或經改造的電腦產品模型。這一方式可極大地提高新產品設計速度。

本研究采用的掃描測量設備是拍照式三維掃描儀，如圖3所示。其結構主要由光柵投影設備及兩個工業級的CCD照相機所構成，由光柵投影在待測物上，并加以粗細變化及位移，配合CCD相機將所擷取的數字影像通過計算機運算處理，即可得知待測物的實際3D外型。拍照式三維掃描儀采用非接觸白光技術，避免對物體表面的接觸，可以測量各種材料的模型，測量過程中被測物體可以任意翻轉和移動,對物件進行多個視角的測量，系統進行全自動拼接，輕松實現物體360高精度測量。并且能夠在獲取表面三維數據的同時，迅速的獲取紋理信息，得到逼真的物體外形，能快速的應用于陶瓷石膏模具制造行業的掃描。

利用該掃描儀對佛像進行了三維掃描，得到了此塑像的點云數據，并導入到UGNX軟件中如圖4所示，對其進行編輯等操作，便獲得了此佛像的三維數字模型，如圖5所示。

4 陶瓷石膏模具CAM技術的研究

CAM即計算機輔助制造，是利用計算機來進行生產設備管理控制和操作的過程。它輸入信息是零件的工藝路線和工序內容，輸出信息是刀具加工時的運動軌跡(刀位文件)和數控程序。將CAM技術用于陶瓷石膏模具的快速成型，是對已得到的三維數字模型進行CNC編程，得到用于加工的NC代碼文件，輸入數控雕刻機對石膏進行快速雕刻成型。

本研究對浮雕花瓶和佛像的CAD模型進行刀路編輯，即包括刀具和加工路徑的選擇，相關工藝參數的確定，以及毛坯的制作等。通過UG NX軟件自動生成加工路徑，即刀路文件，如圖6所示。然后進行模擬加工，如圖7所示。模擬加工無誤后便可將刀路文件借助專用的后處理程序生成用于數控雕刻機加工的NC代碼文件，最后加工出需要的石膏模具，如圖8所示。

5 結束語

在研究中發現陶瓷石膏模具不同于金屬模具，根據陶瓷產品的生產工藝，針對在產品生成過程中可能遇到的問題進行分析，并相應地處理，如陶瓷坯體干燥和燒成后都會有收縮現象，因此對石膏模具應按比例預先放大。所以需要考慮到研究石膏模型的縮放率及其在各個方向的變化，在確保外觀質量的前提下進行簡化處理，使之有利于模具的后續加工。

該系統能夠對陶瓷石膏模具的種模進行三維建模，并數控編程，獲得數控加工程序，輸入數控設備，并最終加工出了符合要求的石膏模具，對石膏模具的快速加工具有重要意義。將產品數字化是未來的發展趨勢，產品數字化能夠大大加快產品的設計和生產速度，提高產品質量，因此該系統在陶瓷模具領域具有良好的應用前景和經濟效益前景。

1吳磊.UGNX4.0中文版曲面設計典型范例教程.北京:電子工業出版社,2006

2楊勝群,唐秀梅.UGNX4數控加工高級教程.北京:清華大學出版社,2007

3馮立靜,張國友.逆向工程在曲面反求建模中的應用.氣動研究與實,2010,(1):7～11

4徐晗,羅良玲.五軸聯動數控陶瓷雕刻機的研究與開發.中國陶瓷,2007,43(12):44～45

5程俊廷,張樹林,韓明等.反求工程在快速成型中的應用.精密制造與自動化,2003,(1):20～21

Abstract

IIn order to change the backwardness of traditional ceramic plaster mold design and manufacture,a rapid prototyping system for ceramic plaster mold has been developed.The system uses CAD/CAM technology as the core,and integrates reverse engineering technology and rapid prototyping technology to meet the requirements for rapid development of ceramic plaster molds,thus making design and manufacturing process more digital and standard.

Keywords ceramics,plaster mold,CAD,reverse engineering,CAM

RAPID PROTOTYPING SYSTEM FOR CERAMIC PLASTER MOLDS

Xu Han Han Wen Wu Nanxing
(Mechnical and Electronics School,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333403,China)

TQ174.6

A

1000-2278（2010）04-0607-04

2010-06-11

徐晗，E-mail:xuhan1982@163.com