模具設(shè)計(jì)中的快速成型與制造技術(shù)分析

黃紅端 趙敏

摘要：眾所周知，產(chǎn)品的生產(chǎn)離不開模具，尤其是注塑、鑄造、鍛造和其他工藝。然而，模具開發(fā)、制造時(shí)間和成本往往是整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和成本的主要部分，需要時(shí)間和大量資金。與此同時(shí)，當(dāng)前市場(chǎng)形勢(shì)發(fā)生了巨大變化，客戶需求越來(lái)越多樣化，產(chǎn)品更新周期越來(lái)越短，生產(chǎn)從小品種、大批量轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥贩N、小批量，因此市場(chǎng)需要敦促制造商加快產(chǎn)品的研發(fā)周期。快速成型技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)制造技術(shù)的一次重大突破，對(duì)制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術(shù)相媲美。目前，越來(lái)越多的快速成型技術(shù)和機(jī)器投入到了實(shí)際應(yīng)用中，其獨(dú)特的制造原理和不可比擬的優(yōu)越性縮短了制造商和客戶需求距離，滿足了市場(chǎng)變化的需要。應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣，如在模具制造、新產(chǎn)品的驗(yàn)證、藝術(shù)品制造與仿制、玩具業(yè)等。

關(guān)鍵詞：模具設(shè)計(jì)；快速成型；制造技術(shù)；分析

中圖分類號(hào)：TU28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）20-0261-01

導(dǎo)言：

許多產(chǎn)品是用模具生產(chǎn)的，特別是鑄造企業(yè)。然而，模具開發(fā)、生產(chǎn)時(shí)間和成本往往是整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和成本的主要部分，需要時(shí)間和大量資金。與此同時(shí)，當(dāng)前市場(chǎng)形勢(shì)發(fā)生了巨大變化，客戶需求日益多樣化，產(chǎn)品更新周期縮短。多品種、小批量生產(chǎn)的小品種、大市場(chǎng)需求，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。目前，越來(lái)越多的快速成型技術(shù)和機(jī)器已投入使用，其獨(dú)特的制造原理和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，如模具制造，新產(chǎn)品驗(yàn)證，藝術(shù)制作，模仿，玩具行業(yè)等。文章簡(jiǎn)單介紹了快速成型技術(shù)的主要原理，并且對(duì)于它的過(guò)程和方法進(jìn)行了分析。

1 工藝的主要原理和過(guò)程

快速成型（RapidPrototyping，簡(jiǎn)稱RP）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)，機(jī)械工程等多種不同的工藝結(jié)合起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。近些年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展十分迅速，并且已經(jīng)成為了21世紀(jì)的后起之秀。RP技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)的加工材料“去除”加工方法，并采用新材料加工方法將復(fù)雜通過(guò)三維光刻工藝獲得零件薄膜工具的半中空原型，然后將漿料懸掛在原型的外表面，獲得具有一定厚度和粒度的陶瓷層，該陶瓷層緊密包裹在原型外部，然后放入高溫爐中燃燒半中空原型。中空陶瓷外殼可用于精密鑄造。鑄造后獲得的金屬模具需要加工，以使其表面質(zhì)量和尺寸精度滿足要求。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是用原型替換了原精密鑄造中的蠟?zāi)?，大大提高了鑄造原型的精度，大大加快了制造速度。的三維加工簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的二維組合。提出了基于形成原理的一種新的思維方式，即P從離散到積累的過(guò)程。

在快速成型過(guò)程中，由于系統(tǒng)直接由三維CAD模型驅(qū)動(dòng)，所以構(gòu)建了工件的三維CAD模型。使用直接建立的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以將三維CAD模型轉(zhuǎn)化為三維模型，或者通過(guò)激光掃描CT掃描產(chǎn)品實(shí)體以獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后使用ReVE方法構(gòu)建3D模型。第二個(gè)是3D模型的近似值。由于產(chǎn)品通常具有一些不規(guī)則的自由表面，所以在處理之前應(yīng)該以近似的方式處理模型以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。由于格式文件格式簡(jiǎn)單實(shí)用，已成為快速原型設(shè)計(jì)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)接口文件。它用一系列小三角平面近似于原始模型。每個(gè)小三角形有三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法線向量。三角形的大小可以根據(jù)精度要求選擇。有二種編碼和ASCn編碼輸出形式。二進(jìn)制代碼輸出格式的空間遠(yuǎn)小于ASCN代碼輸出文件的空間，但可以讀取和檢查ASCn代碼輸出格式。典型的CAD軟件具有轉(zhuǎn)換和導(dǎo)出STL文件的功能。切片是一種3D模型。加工完成后，根據(jù)模型的加工特點(diǎn)，選擇合適的加工方向，利用一定間隔的一系列平面切削近似模型提取成形高度方向上的輪廓信息。部分間隔通常是0.1毫米。最后，形成零件和后處理。根據(jù)截面輪廓，在計(jì)算機(jī)控制下對(duì)相應(yīng)的形狀頭進(jìn)行掃描，并根據(jù)工作臺(tái)上的橫截面輪廓信息逐層堆疊材料。然后與該層結(jié)合，最后GE原型。模制件的后處理是將模制件從模制系統(tǒng)中取出，然后研磨，拋光，涂覆或放入高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，并進(jìn)一步增加強(qiáng)度。

2 基于快速成型技術(shù)的快速模具制造技術(shù)的研究

為了獲得真實(shí)存在的產(chǎn)品，需要有快速的批量生產(chǎn)的能力，結(jié)合具體的原材料的不同，可以將磨具成型的方法產(chǎn)生的模具分為軟質(zhì)模具及硬直模具。

2.1 軟質(zhì)模具

之所以稱之為軟質(zhì)模具就是由于使用性質(zhì)比較柔軟的的物質(zhì)作為材料，例如橡膠、鋁合金等，同傳統(tǒng)意義上的鋼鐵材料有很大的不同，軟模具的制造成本更低，并且生產(chǎn)周期較短，有充足的時(shí)間進(jìn)行產(chǎn)品性能的測(cè)試及有效的開展試運(yùn)行操作，能夠快速可靠的投入到市場(chǎng)。在國(guó)防、航空產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，一般在小批量的制造生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。目前常用的軟模具制造方法主要有硅膠澆鑄法、電鑄法、樹脂澆鑄法等。硅膠澆鑄法已廣泛用于生產(chǎn)一些具有良好柔韌性和彈性的產(chǎn)品。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖案精美，因此受到高度關(guān)注。其次，樹脂澆鑄法、硅膠模的應(yīng)用范圍相對(duì)狹窄，如果進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，有必要使用環(huán)氧樹脂模快速成型系統(tǒng)，并且選擇基體材料作為有機(jī)或無(wú)機(jī)復(fù)合材料的液態(tài)環(huán)氧樹脂。金屬噴涂法相比較其他的生產(chǎn)方法，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，并且周期不長(zhǎng)，腔和表面紋理可以一次成型，具有很強(qiáng)的耐磨性能，在生產(chǎn)過(guò)程中有著高精密度；電鑄制模法，利用該種方法制造的模具具有很強(qiáng)的精密度，所以適合于精密度高，形狀不規(guī)則的圖案的模具的制造。

2.2 硬質(zhì)模具

軟質(zhì)模具適合于產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量不多的生產(chǎn)，所以硬質(zhì)模具還是必須要使用的模具，硬直模具加工方式有電火花加工法，熔模精密鑄造法及陶瓷型精密鑄造法等。電火花加工法將RPM作為原型，借助鋼模具電火花加工，具有的制造流程是RPM作為原型，開展三維砂輪，最后是石墨電極；熔模精密鑄造法，一般在大批量模具的生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，采用熔模生產(chǎn)工藝生產(chǎn)鋼模，大部分RPM原型都可以作為母模精密鑄造。陶瓷型精密鑄造法，在生產(chǎn)單件或數(shù)量小的模具的時(shí)候可以使用陶瓷鋼模鑄造工藝。

2.3 快速成型模具制造技術(shù)的具體應(yīng)用

2.3.1 在航天航空工業(yè)中的應(yīng)用

快速成型技術(shù)在航空航天事業(yè)的發(fā)展中也有廣泛的應(yīng)用，例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體泵樣機(jī)零部件的制造，借助快速成型技術(shù)制作完成的塑料產(chǎn)品為模板、將橡膠模具、凹槽固定在標(biāo)準(zhǔn)模具，等待12小時(shí)左右，當(dāng)完全固化硅橡膠沿著預(yù)定的分模線劃開，對(duì)砂型鑄造，泵殼鑄件合格件可以在兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)完成生產(chǎn)，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間以及生產(chǎn)成本。

2.3.2 在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

快速成型模具制造技術(shù)在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。薄材料、大尺寸和不規(guī)則形狀是汽車工業(yè)蓋的特點(diǎn)。由于該快速模具制造方法具有精度高、表面質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)和模具尺寸有限的特點(diǎn)，在汽車覆蓋件模具生產(chǎn)中具有巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)然，快速成型模具制造技術(shù)也廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、氣缸蓋等部門的加工。

2.4 硅膠-陶瓷型橡膠模制模

其通過(guò)涂層轉(zhuǎn)移獲得精密陶瓷型，澆鑄鑄鋁或黑色金屬。快速精密鑄造模具采用快速精密鑄造的方式得到快速模具有許多方法。通過(guò)三維光刻工藝獲得零件薄膜工具的半中空原型，然后將漿料懸掛在原型的外表面，獲得具有一定厚度和粒度的陶瓷層，該陶瓷層緊密包裹在原型外部，然后放入高溫爐中燃燒半中空原型。中空陶瓷外殼可用于精密鑄造。鑄造后獲得的金屬模具需要加工，以使其表面質(zhì)量和尺寸精度滿足要求。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是用原型替換了原精密鑄造中的蠟?zāi)?，大大提高了鑄造原型的精度，大大加快了制造速度。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上探討我們了解到在新產(chǎn)品開發(fā)中模具開發(fā)周期起到了嚴(yán)重影響作用，因此要想將新產(chǎn)品的開發(fā)成本降低，開發(fā)周期縮短，就必須將模具的成本有效控制并降低，因此就必須充分借助快速成型技術(shù)進(jìn)行制模，并且在充分考慮模具原型材料的基礎(chǔ)上，把電弧噴涂快速制模、硅膠-陶瓷型橡膠模制模及其樹脂型復(fù)合模具制模手段進(jìn)行合理的選擇應(yīng)用。

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