快速模具實驗裝置開發及在實踐教學中的運用

張海光， 何嵐嵐

(上海大學 a. 機電工程與自動化學院； b. 上海市智能制造及機器人重點實驗室；c. 工程訓練國家級實驗教學示范中心, 上海 200444)

0 引 言

在當前大工程、大制造的工程教育背景下，對我國高校學生深入掌握工程技能和工程創新能力提出了更高的要求，工程實踐教學已經成為我國高等教育的重要組成部分，是增強學生掌握現代制造工藝的工程能力，推動學生盡快了解和掌握先進制造技術，以及符合企業需求的掌握現代制造技術的有效途徑，也是不可替代的重要教學環節。

先進制造技術作為工程實踐教學體系中的重要組成部分，各高校均設置了相關的實踐課程，大多集中于數控切削技術方面的訓練。而具有周期性短、適應性強等優點的增材制造(Additive Manufacturing，AM)為先進制造提供了新的工藝選擇和技術支撐，應用越來越廣泛，也越來越受到業界的關注，對掌握該類技術的人才需求也越來越大[1-5]。因此，部分國家級的實驗教學示范中心也在工程訓練課程中開設了相關的實踐項目，但基本上都以熔融沉積成形工藝為代表讓學生了解3D打印的基本工作原理。

而AM的兩大技術支柱包括3D打印(Three Dimension Printing，3DP)和快速模具(Rapid Tooling，RT)。在實際工業領域中由于3D打印的產品成本高且不能滿足強度以及耐用性等方面的要求，通常都需要 RT技術以3D打印樣品作為母模進行產品的中小批量翻制，因此從知識的系統性、完整性、實用性等方面考慮，開設RT技術的實踐課程具有很大的必要性，現在較少有高校開設快速模具實踐課程，缺少適合學生操作使用的實驗裝置是其中最主要的原因之一。因此，本文從學生實驗操作的便捷性、安全性等方面考慮，就RT實踐課程所需的實驗裝置進行了研究。

1 快速模具技術及工藝流程

1.1 快速模具技術簡介

快速模具與傳統模具相比，其制造周期僅為后者的30%～50%，制造成本僅為后者的20%～30%，目前已成為增材制造領域發展最迅速、產值增長最明顯的技術[6-9]。真空注型(Vacuum Casting，VC)技術是RT技術中應用最為廣泛的工藝方法[10-12]，典型模具及樣件如圖1所示。

圖1 典型VC模具

1.2 真空注型工藝基本流程

VC工藝首先在真空條件下利用3D打印的母模制作出硅膠模具，然后對澆注材料進行抽真空、材料混合、進氣消泡等操作之后，將其注入硅膠模具型腔，最后通過交聯、固化等化學反應完成液體向固體的形態轉變，從而得到澆注件，具體工藝流程如圖2所示。

1.3 真空注型裝置存在的問題

對于沒有任何實際操作經驗的學生而言，現有的真空注型裝置主要存在以下幾個問題：

圖2 真空注型工藝流程

(1) 國內外VC設備的控制方式主要有手動、電動和記憶三種模式，設備操作復雜，對于操作人員的經驗要求很高，學生操作安全性差、產品廢品率高。

(2) 現有的VC設備內部機構運行情況需要通過觀察窗口進行監視，不利于教師對工藝過程的講解和操作過程的示范，也不利于學生操作過程中的觀察。

(3) 現有的VC設備箱體壓力檢測通常采用模擬式的壓力表，需要人為判斷并作出快速響應，否則易錯過最佳操作時間，對學生的操作敏捷性要求過高。

(4) 整個操作過程要求操作人員對工藝流程非常清晰，且大多沒有任何保護和錯誤操作提示信息，學生誤操作情況很嚴重。

因此，本文旨在開發一款適用于本科實踐教學，適合學生使用，具有安全性高、操作性好、自動化程度高的真空注型實驗裝置。

2 真空注型裝置結構及模塊功能

2.1 真空注型裝置總體結構

針對真空注型裝置存在的問題，根據VC工藝流程，開發的真空注型實驗裝置總體結構框架如圖3所示。

圖3 真空注型實驗裝置總體結構框架

2.2 真空注型裝置模塊功能介紹

(1) 控制模塊。控制模塊是硬件部分的核心，由計算機(PC)和可編程邏輯控制器(PLC)構成，主要實現真空注型工藝過程的控制，與監測模塊、執行模塊進行實時數據交互，保證工藝過程順利按需進行。該模塊是實現裝置自動化的關鍵，從而降低了對學生操作經驗的要求。

(2) 監測模塊。監測模塊由視頻監視器及2個壓力傳感器和4個限位開關構成，主要功能包括料杯位置檢測、真空室壓力檢測、實時監視等。該模塊是實現實驗過程可視化的關鍵，適合教師進行開放式教學和學生操作過程的觀察。

(3) 執行模塊。執行模塊主要是接收控制模塊的控制信號，實現抽真空、進氣、攪拌、傾倒澆注等動作。

2.3 真空注型裝置硬件

該裝置的機械本體采用模塊化的設計思路，由箱體模塊、上下門模塊、AB杯模塊、機架模塊、鈑金模塊組成，本文所開發的數控真空注型[13-14]裝置硬件部分如圖4所示。

圖4 真空注裝置硬件設計

2.4 真空注型裝置軟件開發

本文開發的真空注型裝置采用典型的上下位機控制模式，因此，其軟件組成主要包括上位機軟件以及下位機程序。

(1) 下位機軟件開發。下位機主要完成硅膠模具制作的程序和澆注件制作的程序，澆注件制作中又分為手動操作和自動操作，下位機程序采用主程序調用子程序的設計思路，在滿足相應的條件之后分別調用自動控制子程序、手動控制子程序、硅膠模具制作子程序，下位機程序框架如圖5所示。

(2) 上位機軟件開發。上位機是以PC為核心，由人機界面模塊、實時控制模塊、數據庫模塊組成，采用VB進行開發[15]，代表性的人機界面如圖6所示。

2.5 真空注型裝置特點

該數控真空注型裝置主要有以下幾個特點：

(1) 機械本體體積小，結構緊湊，適合學生分組

圖5 下位機程序框架

(c) 澆注件制作操作界面(d) 案例資源界面

圖6 真空注型裝置軟件界面開發

(3～5人)實驗操作；

(2) 裝置控制面板僅有“電源”和“急停”兩個按鈕，全部操作功能均由上位機軟件界面實現，相對現有的真空注型設備，大大降低了操作難度，適合操作經驗少的學生適用；

(3) 各個操作按鈕后臺都根據工藝過程編制了保護和互鎖功能，有效地防止了學生實踐過程中誤操作和亂操作的情況，根據提示讓學生更清楚快速模具的制造工藝和注意事項；

(4) 位移傳感器的使用起到了過行程保護的作用，壓力傳感器的使用實現了腔內壓力值的實時顯示，視頻監視器的使用實現了執行機構運行過程的實時監控，適于教師進行開放式教學和操作演示，也適合學生動手實操時觀察實際工藝過程。

3 快速模具實踐項目

以一個“汽車天線蓋”樣件為例，使用所開發的V450NA真空注型裝置讓學生了解和掌握快速模具工藝方法。

3.1 硅膠模制作

(1) 模框制作。描出分模面，再按照母模的尺寸和形狀制作模框，將母模置于模框內。

(2) 硅膠與固化劑的計量和混合。將硅膠和固化劑稱量好并按照規定比例導入桶里并混合攪拌。

(3) 硅膠真空脫泡。將裝硅膠的桶放入模具室，關閉攪拌室和模具室門；開啟V450NA真空注型機電源，進入控制系統，單擊“硅膠制模”按鈕進入硅膠模制作界面，如圖6(b)所示，反復進行消泡操作，直至達到消泡要求為止。

(4) 硅膠澆注。將硅膠倒入模框，再將硅膠模模框放入45～50 ℃的烘箱中6～8 h可完全固化。

(5) 分模。硅膠完全固化后，卸下模框，在分模面畫出波浪形的分模線，然后用美工刀與分口鉗沿分模線劃開硅膠模，取出母模，如圖7所示。然后開氣孔及澆注口，將上下半模具合并，放入烘箱預熱。

3.2 澆注件制作

(1) 將硅膠模放入模具室，將漏斗與硅膠模澆注口聯接，并將放有樹脂和固化劑的A杯、B杯分別放入攪拌室A杯托架和B杯托架，關閉攪拌室和模具室門。

(2) 開啟V450NA真空注型軟件，單擊“手動差壓”按鈕進入手動差壓制作界面，如圖6(c)所示，按照由上到下的順序操作直至澆注完畢。

(3) 單擊“保存案例”按鈕跳轉到“案例資源”窗口，可在數據庫中保存下本次澆注的步驟及參數，如圖6(d)所示。

(4) 澆注完成，將硅膠模放入烘箱，在70℃環境下固化，等到完全固化后，拆除密封和固定的材料，切除澆注口，取出澆注零件，如圖8所示。

4 結 語

快速模具實踐內容的開展有利于學生更加系統地了解增材制造技術的知識，更加清楚作為3D打印后續必要工藝的快速模具技術的概念、裝備和操作技能，真正做到和企業實際的人才需求相結合，彌補該領域人才稀缺的問題。該實踐項目是典型的將應用較廣的生產技術引入教學的案例，將實用技術引入實踐教學環節，讓更多的學生受益，拓展了學生的知識面。該實踐項目的引入為工程訓練實踐課程教學注入了新的實用素材，必將會提升該課程的實用性、先進性，提高學生的學習興趣，對該類課程的教學改革也將起到一定的促進作用。