基于SLA的快速模具设计与制造研究

本科毕业设计第1页共42页1引言本次课题是基于SLA的快速模具设计与制造研究，并且选定了鼠标作为本课题研究的初始实物原型，如图1.1所示。本次课题涉及3DSS、Geomagic、Magics、Pro/E等软件的使用，快速成型机等设备的使用及硅胶模具的制作。根据制作过程，我们大致把本次课题分为三个阶段，分别为：模型的反求及重建、快速原型的建立和硅胶模具的制作。针对本次课题，我主要侧重快速原型和硅胶模具的制作这两方面的研究。图1.1鼠标的初始实物1.1快速成形技术的背景快速成形技术]1[又称快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing，简称RP)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种产品设计与制造技术。它不受传统加工模式的局限，不需要机械加工设备便可快速制造出形状复杂的工件，被看作是产品设计与制造领域的重大研究成果。其对制造行业的冲击可与五六十年代的数控技术相比，尤其是产品的原型制造，为面向21世纪的新产品的创新设计提供了一种切实可行的技术途径[2]。快速成形技术综合了计算机技术、机械工程、CAD技术、逆向工程、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术等高新技术，可以自动、精确、直接、快速地将设计思想转变为具有一定功能的原型，或可以直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效、低成本的实现手段[3]。快速成形技术在不需要任何刀具、模具及工装夹具的情况下，直接接受产品的计算机辅助设计(CAD)数据，可实现任意复杂形状新产品的快速制造，快速制本科毕业设计第2页共42页造出新产品的样件、模具或模型，优越性显而易见。通过RP技术快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，有利于优化产品设计，大大提高了新产品开发的一次成功率，缩短研发周期，降低研发成本，提高产品的市场竞争力[4]。1.2快速成形技术的国内外发展现状快速成形技术概念的提出可追溯到1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法，该设想提出后，由丸谷洋二于1984年继续研究，并于1987年进行产品试制。1988年，美国3DSystems公司率先推出快速原型实用装置——激光立体造型即SLA(StereoLightgraphyApparatus)，并以年销售增长率为30%～40%的增幅在世界市场出售[5]。世界上，美国是最重要的RP设备生产国，1999年美国生产的RP设备占全世界的81.5％。而对于本课题主要采用的光固化成形法，主要进行研究的有3DSystems公司、EOS公司、CMET公司、D-MEC公司、TeijinSeiki公司、MitsuiZosen公司等。3DSystems公司于1999年推出SLA-7000机型，扫描速度可达9.52m/s，层厚最小可达0.025mm。AUTOSTRADE公司（日本）使用680nm左右波长的半导体激光器作为光源，并开发出针对该波长的可见光树脂。在国内，清华大学主要研究RP方面的现代成形学理论、SSM（slicingsolidmanufacturing）、FDM工艺，开展了基于SLA工艺的金属模具的研究。华中科技大学研究LOM工艺，推出了HRP系列成形机和成形材料。西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成形系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成形精度为0.2mm，体积略同柜式空调机。南京航空航天大学重点研究了SLS成形工艺。华北工学院研究了基于SLS工艺的金属零件的RP制造。南京师范大学与南京理工大学主要研究光造型工艺及微结构快速成型工艺，并研制了低成本桌面快速成型系统及微结构桌面快速成型系统，同时还开展了成形材料及新型RP用光学技术的研究[6]。快速成形技术是一种具有广泛应用前景的、正在不断完善的高新技术。随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展起到越来越重要的作用，并将给企业带来巨大的经济效益。同时，快速成形技术作为本科毕业设计第3页共42页一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展也将推动相关技术、产业的发展[7]。1.3快速成形技术的发展趋势从目前技术的研究和应用现状来看，快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有以下几个方面：(1)开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料；(2)提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法；(3)改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础；(4)开发快速成形的高性能RP软件。提高数据处理速度和精度，研究开发利用CAD原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失；(5)开发新的成形能源；(6)快速成形方法和工艺的改进和创新。直接金属成形技术将会成为今后研究与应用的又—个热点；(7)进行快速成形技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究；(8)提高网络化服务的研究力度，实现远程控制[8]。1.4基于快速成形技术的硅胶模型技术采用快速成形技术制造用于新产品开发与试制的技术称为快速模具制造技术(RapidTooling，简称RT)。传统模具制造的方法有很多，如：数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工等。由于这些工艺复杂、时间长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。而传统的快速模具（例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂模具等）又由于工艺粗糙、精度低、寿命短，很难完全满足用户的要求。此外，传统的快速模具常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正，而不能做到真正的“快速”。因此，应用快速成形技术制造快速模具，在最终生产模具、开模之前进行产品的试制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，有效地节约开发时间和费用。本科毕业设计第4页共42页快速模具的目标是以较低的成本，快速地生产出具有较好尺寸精度、表面粗糙度和一定复杂度的模具。根据模具的使用寿命，快速模具的种类可以分为软模具、中间模具和硬模具。模具相对寿命在200次以下定义为软模具(SoftTooling)，寿命在200～5000次定义为中间模具或过渡模具(FirmToolingBridgeTooling)，寿命在5000次以上为硬模具(HardTooling)。软模具适合中小批量零件生产，是一种周期短、成本低的模具制造工艺。本次课题拟采用软模具。硅胶模具技术是一种常见的快速软模具制造技术。其定义为：以硅胶为基料灌入已固定原型的型框中，待硅胶硬化后沿分型面用刀具切开，取出原型，即得到模具。硅橡胶模具制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性，能制造结构复杂、花纹精细、无拔模斜度，甚至倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，制造周期短，制件质量高。硅胶模具与传统模具制造技术相比，具有以下优势：（1）复印性能好，可良好地翻印母模上的细小特征，基本上无尺寸精度损失；（2）硅胶作为弹性体，可供制作形状复杂样件的模具，并且不需要设置拔模斜度就能脱模，大大简化了模具设计；（3）硅胶模具的延展性、韧性好；（4）硅胶模具的离型性好；（5）耐高温，可以直接浇注低温合金或金属；（6）生产周期短，一般仅为十几个小时，甚至几个小时；（7）制成的样件产品性能，根据聚氨酯配比可直接与ABS、PE、PP等类比。（8）成本低，硅胶模的制作费用要比传统模具制作的费用低得多[9]。本科毕业设计第5页共42页2模型的反求及重建2.1逆向工程技术的介绍2.1.1逆向工程的定义逆向工程（ReverseEngineering，简称RE），也称反求工程、反向工程等，其思想最初来自于油泥模型到产品实物的设计过程。作为消化吸收先进技术的一种手段。逆向工程的主要任务是将原始的物理模型转化成为工程设计概念或数字化模型：一方面为提高工程设计及加工分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用CAD/CAM/CAE技术已有的产品进行再设计服务。逆向工程是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造过程。这样的产品设计过程可称之为“正向设计”。反之，可以认为逆向工程是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称[10]。2.1.2逆向工程的系统组成逆向工程系统主要由3部分组成：产品实体外形的数字化、CAD模型的重建、产品样本和模具制造。逆向工程系统中设备和软件因素主要包括以下几个方面：（1）测量机与探头；（2）数据处理；（3）模型的重建；（4）快速成型机；（5）产品制造设备。2.1.3数据采集与处理逆向工程的关键技术为：数据的采集与处理，既数字化技术；曲面构造，既建模技术。辅以其他方法构成逆向工程的技术体系。（1）数据采集的方法数据采集的方法可分为接触式采集法和非接触式采集法。接触式数据采集方本科毕业设计第6页共42页法包括基于力触发原理的触发式数据采集法、连续式数据采集法、磁场法、超声波法等。非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采样，包括激光三角测距法、结构光法、图像解析法及断层扫描成像法等。我们本次课题所采用的3DSS三维扫描仪就是基于图像解析法这样的原理。不同零件的材质不同，曲面凹凸程度不同，其对照射光线的反射也会不同，而曲面上的反射光会影响2CCD传感器检测点数据。因此，通常应在零件原型数据采集之前，先将零件需要数据采集的部位全部喷成白色。（2）测量数据的处理按数据点的数量，测量数据分为一般点云和“点云”数据；按测量数据是否规整，分为散乱数据点和规则数据点。不同的测量数据类型，在数据处理特别是造型方法的选择上是不同的，如对点云数据应进行数据精简处理。“点云”是一种特殊的测量数据点，由激光扫描仪获得，由于数据点的数量较通常的接触式三坐标测量机大得多，也称海量数据或“点云”（PointCloud），而且点云数据具有不同于接触式数据的一些特点，因此其处理方式也不同。在CAD造型中，通常的逆向软件都具有将点云显示为多种模型的状态功能，以方便处理，一般有Scatter（点云宣示为个别的像素）、折线（Polyline,点之间线连接）、扫描线（Scanline）、网格（Grid）、三角面片（Polygonized）等形态。由于实际测量过程中受到各种人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪音。为了消除或降低噪音对后续建模质量的影响，有必要对测量的“点云”进行滤波或平滑滤波处理。目的是去除误差或噪音、数据精简和抽取模型的特征信息，多数过滤都是针对扫描线数据的，如果数据点是无序的，将影响过滤结果[11]。2.1.4重新造型“重新造型”是一种逆向工程模式，它是一个直接建模环境，使用户可专注于多面模型的特定区域，并使用不同的工具来获得期望的曲面形状和属性。允许用户在多面数据或三角化数据的顶部重建曲面CAD模型。用户可直接输入数据或使用Pro/E的“小平面建模”功能通过转换点集数据进行模型创建。在重新造型模式中一般流程如下：（1）在Pro/E中打开或插入所需的小平面特征，也可以是独立的几何特征。本科毕业设计第7页共42页执行菜单栏中的“插入﹥重新造型”命令，进入重新造型模式。（2）使用不同的曲面重建工具重建曲面，例如使用晓平面上重创建的曲线、由平面相交创建的曲线或3D曲线创建曲面。（3）可以在小平面表面上创建区域，使用此区域创建仅受该区域影响的分析曲面。对于自由形式的曲面，还可使用“拟合”与“投影”工具。（4）若曲面必须彼此相交，则可能需要延伸这些曲面。在某些情况下，在延伸后需要重新拟合自由形式的曲面。如有必要，可为现有的曲面指定区域以进行拟合或查看。可在小平面特征上自动创建样条曲线，然后可使用曲线或曲面的现有工具进行修改