基于逆向工程和SLS母模的快速模具制作

摘 要：運用逆向工程技術獲得產品數字模型，采用SLS技術燒結成型產品實物，并以此為母模制作環氧樹脂模具。最后，進行澆注實驗，獲得了質量較好澆注件。逆向工程技術和SLS技術在快速制樹脂模制作中的應用，縮短了產品開發的周期，降低了開發成本，為新產品的開發和試制提供了一條有效的途徑。

關鍵詞：逆向工程；激光選區燒結；快速模具；環氧樹脂模

運用逆向工程技術（Reverse Engineering，RE）是利用各種測量手段及三維幾何建模方法，將實物樣件或者手工模型轉化為計算機三維數字CAD數據模型。RE技術被廣泛的應用到新產品開發和產品改型設計、產品仿制、質量分析等領域，可以縮短產品設計、開發的周期，降低新品開發的成本和風險，特別適合新品開發中單件、小批量產品的制造。[1-2]激光選區燒結技術（Selective Laser Sintering，SLS）技術是快速成型技術（RP）中的一種，通過激光加熱可熔融粘接的粉末材料根據可以直接將產品數字模型燒結成實體零件，而快速模具（RT）技術大多采用快速成型技術制作的母模翻制模具主要工作零件（型芯、型腔），制造周期一般是傳統方法的1/5～1/10，而成本卻僅為傳統加工方法的1/3～1/5。[3-5]RE、RP在快速模具技術中的應用，為新產品的開發和試制提供了一種更加快捷、精確和經濟途徑。

文章，以摩托車后視鏡為例，運用逆向工程技術獲得了其三維數字模型，用SLS技術制作了母模，再以此母模翻制了型芯和型腔，最后，成功澆注了摩托車后視鏡產品。

1 基于逆向工程的3D模型的建立

1.1 數據采集

以摩托車后視鏡為實物模型，通過掃描儀獲得實物外形數據信息。掃描設備為北京榮創興業科技發展有限公司的產品VLS-100三維激光掃描儀。數據采集有以下幾個步驟：（1）粘接特征標記。由于實物表面數據一般不能通過一次采集獲得，需要進行多次掃描，為了方便點云的對齊，需要粘貼標記，用了三個鋁薄片作為特征標記，貼在后視鏡邊緣三處不同的位置。（2）噴涂反差增強劑。物體表面反光，會對掃描激光造成干擾、反射，引起數據缺失或變形，因此需噴涂反差增強劑降低表面反光。（3）固定掃描物體，將摩托車反光鏡固定在測試臺上。（4）確定掃描邊界、開始掃描。根據物體的大小確定掃描邊界，然后開始掃描，采集數據。一側掃描完成后，再掃描物體另一側。（5）保存數據。掃描完成后，將數據以asc格式保存。

1.2 Imageware曲面重構

通過掃描獲得實物的表面數據后，將數據導入Imageware軟件，運用該軟件對所得點云進行曲面重構。首先，去除各點云數據噪聲點。由于空氣中粉塵等原因干擾，掃描后會在攝像頭和后視鏡之間的空間中會出現大量的噪聲點，將噪聲點框選刪除，獲得干凈的點云數據。其次，將點云對齊、精簡。根據實物形狀并參考后視鏡上所貼的特征標記，將點云對齊，移除參考點及特征標記點云。另外，對點云進行精簡，刪除重合的點云。最后，對點云進行數據分割和曲面重構。根據后視鏡實物外形，猜測正向設計者的設計過程，可以把整個后視鏡分成兩大部分去處理，后視鏡的正面為一部分，背面為另一部分。正面分成五部分，編號為1、2、3、4、5，背面分成五部分，編號為6、7、8、9，10如圖1。把整個點云數據分割成十部分，每一部分根據外形的特點采用不同的方法將點云擬合成與實物相符曲面。得到的后視鏡數字模型文件以STL格式保存。

2 SLS母模制作

2.1 母模燒結

將后視鏡數字模型文件，導入Magic軟件進行糾錯處理、添加支撐和切片處理，將文件轉化為快速成型控制系統接收的CLI格式。然后導入快速成型系統，設置燒結參數如表1，燒結成型后視鏡實體，所得成型件是用作翻制模具的母模。

2.2 SLS母模后處理

未經處理的SLS高分子燒結件強度較低，表面粗糙，不能滿足使用要求，需要表面清理、滲樹脂強化和表面拋光打磨等后處理工序。（1）表面清理。燒結成型結束后，使零件隨材料冷卻至室溫后取出，用毛刷和牙刷清理零件表面未燒結粉末，清理時注意不要損壞燒結件外形。（2）滲樹脂增強。用毛刷沾取配好環氧樹脂溶液，刷涂燒結件，從燒結件較厚的部分涂起，使燒結件完全被浸透，又要保證表面不留積液。先室溫固化6小時，再加熱固化8小時。（3）表面拋光打磨。將固化好的后處理燒結件取出，用細砂紙打磨表面，去除后處理件表面積瘤，使后處理件表面光滑，得到翻制模具的母模，如圖2所示。

3 環氧樹脂模制作

3.1 制作前的準備

3.1.1 模框準備

?？虻闹饕饔檬窃跐沧渲旌狭蠒r防止混合料外溢，可由金屬、木材等制作。金屬?？蛟跇渲袒笈c樹脂粘結在一起，成為模具的一部分。在澆注的時候防止漿料外溢，對固化樹脂起支撐作用，同時提高了模具的剛度；木材制作的模框，僅僅起防止漿料外溢的作用，最后還要從固化好的模具上脫下來。模框的大小根據模具的要求和母模的大小確定。本試驗用的模框是用PS粉料SLS燒結成型，再對其進行滲樹脂強化處理，最后打磨所得。

3.1.2 分型面的選擇和底座制作

樹脂模的澆注一定要選擇好分型面。分型面的選擇直接影響脫模，如果選擇不當，會導致難以脫模甚至脫不出來，所以正確合理的選擇分型面非常重要。分型面的選擇一般原則為，選在原型截面積最大位置處。為防止原型內腔被樹脂混合物充填而導致難以脫模的問題，需要預先封填母模內腔?；蛘咄ㄟ^底座等將相應的部位堵上。Magic軟件能夠自動確定分型面，如圖3所示。

分型面確定以后，為底座制作提供了參考，底座在澆注樹脂模時起兩個方面的作用：一是對母模起支撐固定作用。二是保證分型面的生成。底座一般用木頭，石膏等制作，但較準確的保證分型面的生成并不容易，安放位置精度也不易保證，所以在本試驗中，采用了同?？蛳嗤闹谱鞣椒ê凸に?，為了保證上下模閉合的位置精度，增加了兩個導柱，如圖4所示。

3.1.3 母模、?？蚝偷鬃墓潭?/p>

母模、模框、底座的固定也是整個過程的重要一環，首先把母模安置到底座上，檢查母模的分型面是否在底座平板上，不在的話，修理底座，直到母模的分型面和底座平板重合，用膠把?？蛘车降鬃?，粘合處要密封，保證漿料不會滲漏出去。然后把脫模劑用毛刷均勻地刷到母模和底座底版上。固定好的母模、模框、底座如圖5所示。

3.1.4 環氧樹脂漿料的制備

試驗材料：300目鋁粉，填料，北京浩運工貿有限公司，Al>≥99.0（wt.%）；環氧樹脂：302環氧樹脂膠 上海萬投實業有限公司，配比：Epoxy：Al（質量比）=10：9。在混合之前，為了降低膠液的黏度，把稱量好的環氧樹脂分成A、B兩組，分別放到電熱恒溫鼓風干燥箱中在80℃恒溫10分鐘。然后，把金屬粉緩緩加入到A、B組份中，邊加入邊攪拌，當攪拌均勻后，再次把加入金屬粉的A、B組份放到電熱恒溫鼓風干燥箱中在80℃恒溫10分鐘，取出后放到真空注型機中，快速抽真空，當真空達到-90KPa負壓時，把B組份緩緩的倒入A組份中，邊倒邊攪拌，大約一個小時三十分左右，當混合液中沒有氣泡出現時且漿料得到一定黏度后，澆注的漿料即準備完畢。

3.2 環氧樹脂模的澆注

3.2.1 澆注上、下模

把固定好的母模、?？?、底座放到真空注型機的澆注平臺上，調整好位置，保證底座水平。然后，把經過真空脫泡的漿料沿著?？虮诰従彽刈⑷氲侥？蛑?，整個澆注過程在真空環境中進行。

澆注完畢后，取出放到電熱恒溫鼓風干燥箱中，在100℃溫度下固化。待上模固化好后，把底座取下。倒置上模，把下模的?？蛘车缴夏Ｉ?，同樣粘結要牢固，并且粘結處要密封，保證漿料不會滲漏。然后在上模的分型面上均勻，全面地涂刷一層脫模劑，用澆注上模同樣的方法澆注下模。

3.2.2 分模、修模

（1）樹脂模固化、分模。因為環氧樹脂固化時是放熱反應，固化后模具尺寸會收縮，把母模包緊，造成脫模困難，所以在脫模之前要把模具整體放到干燥箱中，在90℃加熱一段時間，使模具發熱膨脹，以便分模取出母模。

（2）修模。取出母模后，對模具不平整的部進行分打磨，對因殘留氣泡造成的孔洞，用環氧樹脂和鋁粉制的粘稠漿料修補平整。等修補部分固化好后，用細砂紙打磨光滑，再用丙酮徹底清洗型腔表面，去除表面的油污。

（3）涂刷膠衣。模具修補好后，按比例配制好膠衣樹脂，用羊毛刷在模具型腔表面均勻的薄薄刷上一層膠衣，然后放到干燥箱中在80℃恒溫1小時，取出模具后再用同樣的方法刷上一層膠衣，然后再一次放到干燥箱中，這樣少量多次的刷上幾層膠衣，然后再用細砂紙輕輕的打磨。涂刷膠衣的目的一是可以獲得光滑的模具表面，二可以很好的保護模具表面，圖6為做好的環氧樹脂模具。

4 澆注試模

簡易模具制作好以后，進行澆注試模，檢查模具型腔表面的質量，對存在的缺陷進行必要的修正。澆注前在模具的型腔表面均勻地涂上一層脫模劑，然后合模。實驗材料為反應性樹脂聚氨酯F-31，將按比例配制好的聚氨脂樹脂，緩緩地澆注到模具中，為了加速樹脂固化，澆注好以后把模具放到恒溫干燥箱中。等固化好后，把制件從模具中取出。獲得表面質量良好的澆注件如圖7所示。

5 結束語

采用后視鏡為載體，運用三維掃描獲得其三維數字模型，再結合SLS技術燒結出樹脂模母模，最后成功翻制出環氧樹脂模具。經試驗驗證此工藝的簡易模具能成功澆注出表面良好的樹脂件。此工藝在新品開發和產品試制中的應用可以大大縮短產品開發周期，降低成本，并能快速反應市場需求。

參考文獻

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作者簡介：李小城，碩士研究生，講師，安徽機電職業技術學院。