快速模具技术

随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发的能力，成为制造业全球竞争的实力基础。同时，制造业为满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变的十分关键了。本章主要介绍了RP在快速制模中的主要应用。第一节概述一、传统的模具技术1、传统制模方法传统的制模技术大都是依据样模(母模)，采用拷贝方式(如铸造、喷涂、电铸、复合材料浇注等)来制造模具主要工作零件(凸、凹模或模腔、模芯)的。2、传统的制模方法缺陷：①精度低。②制作周期长，如快速切削铝模需要2～4周时间。③柔性差：元件有所改变时，模具很难修改，不得不重做。上述三种缺陷中精度是最重要的，只要解决了样模精度，模具精度自然就迎刃面解了，因此如何提高样模精度已成为快速制模技术继续深入发展的关键，也是我们要加以解决的重要课题。二、快速模具技术1、快速模具制造及特点快速模具制造（RapidTooling，简称RT），是应用快速成形方法（RP），快捷、方便地制作工具或模具的一种新兴技术。RT是传统快速模具技术与现代先进制造技术相结合的典范。它的特点是：（1）.制模周期短，一般为传统模具制造的1/3～1/10；（2）工艺简单，易于推广；（3）制模成本低（仅为传统制模的1/3～1/5）（4）精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好。（5）特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。目前，RT已被广泛应用到汽车制造、航空航天、军工、电子、医学和家电等领域。2、快速制模方法快速制模有两种方法：直接法和间接法。其一般的工艺流程如下图1所示。利用RP原型制作模具的流程框图（1）直接法是采用快速成形系统直接制作模具，主要指采用SLA，LOM，SLS快速成形技术直接制造模具。（2）间接法是先制作一个母模，一般由快速成形系统建立，再由这样的母模制作模具，主要有：1）用快速成形件作母模，与传统工艺结合制①在快速成形的母模上，浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，从而得到软模具；②在快速成形的母模上，电镀、喷涂、烧结金属或者陶瓷，从而得到硬模具。2）与精密铸造结合，生产出金属件，再制造模具三、快速直接制模直接制模是用SLA、SLS、FDM、LOM等快速成型工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模等模具，其优点是制模工艺简单、精度较高、工期短，缺点是单件模具成本较高，适用于样机、样件试制。1、通过SLA或SLS法，直接用树脂、粉末塑料（如ABS）等制成凸、凹模，可以作成薄板的简易冲模，汽车覆盖件成形模等。这些简易模具的寿命是50～1000件，适用于产品试制阶段。2、采用特殊的纸质利用LOM工艺方法可直接制造出纸质模具，坚如硬木，可耐200℃高温，可用作低熔点合金的模具或试制用注塑模以及精密铸造用的蜡模成形模，还可以代替砂型铸造用的木模。3、用SLS法直接制成金属模。将不锈钢粉末用SLS法制成金属型后，经过烧结、渗铜等工艺渗铜等工艺制成了具有复杂冷却液道的注塑模。四、利用RP技术间接快速制造模具根据材质的不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和硬质模具两大类。1、快速软模（SoftTooling）制造所谓软模具，是指用硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等材料制作的模具，因其所使用的软质材料有别于传统的钢质材料而得名。用快速成形件作母模（凹模），浇注上述材料可形成软型腔，形成软模具，这种软模具可用小批量生产，例如：注塑件、低熔点合金离心铸造件等。软模具可用作试制、小批量生产用注塑模，制造硬模具的中间过渡模和低熔点合金铸造模等。最常见的是硅橡胶模具。软模具具有很好的弹性、复印性和一定的强度，在浇注成形复杂模具时，可以大大简化模具的结构设计，且便于脱模。例如，TEK高温硫化硅橡胶的抗压强度可达12.4～62.1MPa，承受工作温度150～500℃，模具寿命一般为200～500件。一般室温固化硅橡胶构成的软模具寿命为10～25件，环氧树脂合成材料构成的软模具寿命为300件。由于其制造成本低和制作周期短，因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行以及在国防、航空等领域单件、小批量产品的生产方面受到高度重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。其工艺流程是将快速原型配置浇注系统作为芯模，悬置于模盒内，注入流态硅胶，经真空脱气、固化后沿预设的分型面分开，模具制造即告完成。硅胶模具可以用来制作塑料件和低熔点合金件，寿命只有几十次至上百次。工艺流程如下图所示。2、利用RP原型制造硬质模具软质模具生产制品的数量一般为50～5000件，对于中大批量的产品（上万件乃至几十万件），仍然需要传统的硬质模具，硬质模具指的就是钢质模具。利用RPM原型制作钢质模具的几种方法有：电火花加工法、砂型铸造、消失模的压型制作、陶瓷型精密铸造法等。硬质模具(1)电火花加工法电火花加工法是利用RPM原型制作EDM电极，然后利用电火花加工制作钢模。其制作过程一般为：RP原型→三维砂轮→石墨电极→钢模。快速制作电极模具1)制作RP原型2)利用RP原型翻制石墨电极研具快速成型制作的电极母模电极研具3)利用研具，制造石墨电极；4).然后用电火花加工金属模具。研磨的石墨电极电火花加工后的连杆钢模(2)熔模精密铸造法在批量生产硬质模具时可采用熔模精密铸造法。该方法是利用RP原型或根据原型翻制的软质模具生产蜡模，然后利用熔模精铸工艺制作钢质模具。大部分的RP原型都可以作为熔模精密铸造的母模。其工艺路线是：RP原型（中间过渡模）→制作蜡型→熔模铸造→成型/处理→模具。(3)陶瓷型精密铸造法在陶瓷型精密铸造中，通常采用的母模（如木模、石膏模和金属模等）存在着加工困难、精度难以保证、制造周期长、使用寿命短和成本高等问题，因此对于复杂形状的零件将RP原型技术直接用于陶瓷型铸造，可比传统加工方法节省工时，降低成本。其工艺路线是：RP原型→软模→移出母模→浇注/喷涂浆料→浇注金属→成型/处理→模具。陶瓷壳砂型的快速制作过程用快速成形机制作母模－在母模的上粘贴-薄层材料(如蜡片)，其厚度等于所需陶瓷壳的厚度(约3mm)－将母模置于砂箱中，浇注砂型－移去母模及粘贴材料－将母模置于砂型中－浇注陶瓷砂浆－移去母模)－用乙炔喷灯加热、固化陶瓷壳－加入浇注系统，构成陶瓷壳砂型。(4)金属熔射喷涂制造法金属熔射喷涂制造模具的方法是在RP原型或过渡模型为母模的表面上，用电弧或等离子喷涂雾状金属，形成金属硬壳层，移去母模后，在金属壳背面补铸金属基合成材料或环氧树脂，形成硬背衬，经后处理得到金属表面与硬背衬构成的模具。用该方法制作的模具机械性能较好，精度也容易保证，可以制作工作压力较高的模具，模具寿命可达1000～30000件。金属喷射沉积模成形原理：熔融的工具钢或其他合金被压入喷嘴，与高速流动的惰性气体相遇后形成雾状熔滴，它喷向并沉积到喷射在通过SLA、SLS或LOM方法制造石蜡、塑料或陶瓷原型上，复制出母样的表面结构形状,再借助脱模剂使沉积形成的钢制模具与母样分离,即可制出所需模具。电弧喷涂快速制模工艺(5)铝基合成材料制造法以RP原型为母模，浇注硅橡胶等软材料形成软模具，再在软模具中浇注室温下液态铝基合成材料形成型腔，型腔经后处理制得模具。由于是在室温下浇注，避免了高温熔化金属浇注导致的较大翘曲变形，精度容易得到保证。例:铝填充环氧树脂（CAFE）模铝填充环氧树脂（CompositeAluminum-FilledEpoxy）模，是利用快速成形的母模，在室温下浇铸铝基复合材料，即铝填充的环氧树脂而形成的模具。这种制模方法快速、经济，适用于多种树脂，可用于注塑20～500件工程热塑料工件。CAFE模的制作过程1）制作母模与分型板，母模可以用RP或CNC制作。2）在母模表面涂覆一层薄层脱模剂。3）将母模表面与分型板放置在型框中。4）在型框中靠近母模处设置冷却管。5）预混精细研磨铝粉，双组分热固性环氧树脂，并在真空中排气，去除气泡。6）在真空状态下，将CAFE模用材料浇于母模的外面，并使其固化。7）将母模于完全固化的CAFE模倒置，拆除分型板，在母模反面于先前固化的CAFE模上涂脱模剂，重复上述过程；8）12小时后，第二部分CAFE模已经完全固化，即型芯和型腔分成彼此分离的两部分，此时移去母模；9）用定位销使型芯与型腔对准，在要求位置钻推料孔，安装推料板于推料杆，连接冷却管，最后整个装配件置于标准模架中。(6)化学粘结陶瓷材料制造法以RP原型为母模，浇注硅橡胶等软材料形成软模具，再在软模具中浇注化学粘结陶瓷材料（CBC），在205℃下固化形成型腔，经处理后制得模具。用该法制得的模具寿命一般为300件。其工艺路线为：快速原型制作纸质母模→（浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等软材料）构成软模→移去母模→在软模中浇注化学粘结陶瓷(CBS)→在205℃下固化CBS型腔→型腔表面抛光加入浇注系统和冷却系统→小批量生产用注塑模。(7)粉末冶金快速模具（3DKeltool）美国3DSystem公司还推出了一种粉末冶金快速模具工艺，这种工艺称作3DKeltool。它的制作过程为：首先用SLA原型翻制出硅胶模作为中间转换模；然后将用树脂粘结剂混合的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后得到模具生坯件；通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构（约30%孔隙率）的模具熟坯件；最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度；通过简单机加工进一步保证模具的精度（可达0.04mm），即得Keltool模具。该模具70%为钢，30%为铜，其特性与P20工具钢模具类似，可以承受20-25Kpa的压力和650°的高温。(8)电铸制模电铸制模法的原理和过程与金属喷涂法比较类似。它是采用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面上，再背衬其他充填材料来制作模具的方法。电铸法制作的模具复制性好且尺寸精度高，适合于精度要求较高、形态均匀一致和形状花纹不规则的型腔模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。电铸模过程Wohlers总结了各种(RP+RT)技术后得到一个比较表（见表1）。直接AIM模：SLARapidTool硅橡胶模硅橡胶模以原型为样件，采用硫化的有机硅胶浇往制作硅橡胶模具，即软模（S-oftTooling）由于硅橡胶有良好的柔险和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或具有倒拔模斜度及具有深凹槽的模具来说，制件浇注完成后均可直接取出，这是相对于其他材料制造模具的独特之处。硅橡胶还有很好的切割性能，制作模具时，可以先不分上、下模，整体浇注出模具后，再用薄刀片将其切开。第二节硅胶模具及快速复制技术一、硅橡胶模制模方法翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组分的聚氨脂，固化后即得到所需的零件。调整双组分聚氨酷的构成比例，可使所得到的聚氨醋零件力学性能接近ABS或PP。二、硅橡胶模的优缺点1、硅橡胶模的优点（1）制作周期短通常，根据工件的CAD文件，能在几天内提供硅橡胶软模，以及用软模成形的聚氨酯塑料件。与传统金属模注塑原型工件相比，用硅橡胶模真空浇注聚氨酯原型，能缩短开发周期高达90%。（2）成本低与CNC机加工的金属模相比，软模的制作费用低得多，一般只有金属模的几分之一。（3）弹性好，工件易于脱模在传统的金属模中，通常需要设置脱模斜度，以便使工件成形后顺利脱模。用硅橡胶模成形工件时，由于模具有足够的弹性，使得往往不必添加脱模斜度，工件就能脱模，从而可大大简化模具的设计。（4）复印性能好硅橡胶有优良的复印性能，可良好地再现母模上的细小特征，基本不会损失尺寸精度。2、硅橡胶模的缺点（1）导热性能差（2）寿命短（3）不能成形真实的零件（4）不能采用热注射工艺成形工件（5）制模速度漫。硅胶一般需要24h才能固化，聚氨脂的固化通常也需要20h左右。三、硅橡胶模制作用材料快速软模制作主要用材料为硅橡胶。硅橡胶（SiliconeRubber）是一种分