基于快速成型技术的快速模具工艺分析

基于快速成型技术的快速模具制造工艺分析目录content1：研究背景2：研究意义3：国内外研究现状4：研究内容5：后期研究任务1研究背景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主要矛盾。在这种情况下，快速成型技术(RapidPrototyping，简称RP技术)应运而生。RP技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。它的出现对于促进企业产品创新,缩短新产品开发周期起到了积极的推动作用。1研究背景图1：3D打印产品实例1研究背景但是,快速成型制件由于受所用材料性能的限制,并不能够完全应用于工程实际。并且快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标。2研究意义基于上述情况，人们设计了将快速成型应用于模具加工的技术,这种新型技术简称为快速模具技术(RapidTooling，简称RT技术)。2研究意义RT技术带来了模具制造业的革命。相较于传统的模腔内成型方式（受迫成型,如铸锻挤压等）与毛坯切削成型（即去除成型,如车、铣、钻等）,RT技术是一种基于离散堆积成型思想的数字化成型技术。快速成型配合传统制模技术不仅适合单件小批的模具快速制造,而且能适应各种复杂的模具快速制造,可精确地制作出模具的型芯和型腔,并直接用于注射过程制作塑料样件,以便发现和纠正出现的错误。运用RT技术与采用传统的数控加工制造模具相比,其生产周期缩短1/3~1/10,制造费用降低1/3~1/5。3研究现状目前的快速模具制造技术主要集中在以下两大研究方向：直接快速制模DRT(DirectRapidTooling),即用SLS、FDM、LOM等快速成型工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具;间接快速制模IRT(IndirectRapidTooling),即用快速成型件作母模或过渡模具,再按传统的模具制造方法来制造模具。快速模具制造的工艺流程如图2所示。3研究现状图2：快速模具制造的工艺流程3研究现状3.1直接制模直接制模是用选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)、叠层实体制造(LOM)等快速成型工艺直接制造树脂模、陶瓷模和金属模等模具。其优点是制模工艺简单、精度较高且工期短,缺点是单件模具成本较高,适合于样件试制。直接制模包括以下四种：SLA工艺直接制模LOM工艺直接制模SLS工艺直接制模FDM工艺直接制模3研究现状3.1.1SLA工艺直接制模光固化成型(SLA)工艺直接制模是将激光聚焦到液态固化材料(如光敏树脂)表面,令其有规律地固化,由点到线、由线到面地完成一个层面的建造。然后升降平台,移动一个层片厚度的距离,重新覆盖一层液态材料,再建造一个层。由此层层叠加,成为一个三维实件。3研究现状3.1.2LOM工艺直接制模叠层实体成型(LOM)制模工艺是:先将单面涂有热熔胶的纸通过加热辊加压使其粘结在一起。位于其上方的激光器按照分层CAD模型所获得的数据,将一层纸切割成零件的内外轮廓,然后新的一层纸再叠加在上面,通过热压装置,将下面已经切割的层粘合在一起,用激光再次进行切割。3研究现状3.1.3SLS工艺直接制模选择性激光烧结(SLS)工艺可以采用树脂、陶瓷和金属粉末等多种材料直接制造模具和铸件。在层面制造与逐层堆积的过程中,用激光束有选择地将可熔化粘结的金属粉末或非金属粉末(如石蜡、塑料、树脂沙、尼龙等)一层层地扫描加热,使其达到烧结温度并烧结成型。当一层烧结完后,工作台降下1层的高度,铺下第一层的粉末,再进行第二层的扫描,新烧结的一层牢固地粘结在前一层上,如此重复,最后烧结出与CAD模型对应的三维实体。3研究现状3.1.4FDM工艺直接制模熔融沉积(FDM)制模法采用热熔喷头,使处于半流动状态的材料按模型的CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型,逐层沉积凝固后形成整个模型,这一技术又称为熔化堆积法、熔融挤出制模法等。熔融沉积制模技术用液化器代替了激光器,其技术关键是可得到具有一定粘度、易沉积、挤出尺度易调整的材料。根据成型零件的形态一般可分为熔融喷射和熔融挤压两种成型方式。该技术可以制作多种材料的原型,如石蜡原型、塑料原型、陶瓷零件原型等。3研究现状3.2间接制模法间接制模法是利用RP技术制造模芯,然后以此模芯作为母模复制加工硬模具。目前各种间接制模工艺基本成熟,依据材质不同,一般将间接制模法生产出来的模具分为软质模具和硬质模具两大类。3研究内容3.2.1软质模具软质模具因其使用的是软质材料(硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金等)而得名。目前成熟的软质模具制造方法主要有硅橡胶浇注法、环氧树脂浇注法、金属喷涂法等。3研究内容3.2.2硬质模具硬质模具指的就是钢质模具,适合于上万件乃至几十万件的产品。利用RP原型制作钢制模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。4研究内容以上论述了各种不同的快速模具技术,给生产制造提供了广阔的选择范围,因此,对这些技术进行比较是很必要的。下面将从模具的寿命、模具的制作成本、模具的生产周期三个方面对这几种技术进行研究比较。4研究内容4.1模具寿命的比较随着原型制造精度的提高,各种间接制模工艺己基本成熟,其方法则根据零件生产批量不同而各异：常用的硅胶模具寿命在50件以内;环氧树脂模具在数百件以内;金属冷喷涂模具在3000件以内;快速制作的EDM电极加工钢模在5000件以内；软质模具生产制品的数量一般为50~5000件；硬质模具的寿命已经达到上万件甚至几十万件。4研究内容4.2模具工艺性的比较用快速成型技术实现快速模具制造的方法很多,表1中列出了常见制模工艺参数的比较。4研究内容国内研究国外研究表1常见制模工艺参数比较4研究内容由于各种成型技术所采用的材料不同,所以各种快速成型件的性能也各具特色。有的快速成型适合用作熔模铸造的消失模,如FDM法制作的制件受热膨胀小而且烧熔后基本不会有残留物;而有的快速成型制件则由于材料的缘故不适合作消失模,但由于其具有良好的力学性能,所以可以直接作塑料、蜂蜡和低温合金的模。各种常见直接制模铸造工艺的优缺点对比见表2。4研究内容国内研究国外研究表2常见直接制模铸造工艺优缺点的对比4研究内容4.3模具成本的比较直接制模法在表面精度、尺寸精度及综合力学性能等方面尚难以满足需要高精度、高表面质量的耐久模具制造要求,且受成本、尺寸规格限制。采用RP技术制模相对于传统加工法明显降低了制模成本,制作周期也大幅减短。表3列出常见快速成型制模方法与传统加工制模方法的加工成本比较。4研究内容表3常见快速成型制模与传统制模成本比较5后期研究任务模具制造技术在制造业中处于关键地位,快速模具制造技术的开发研究倍受关注。目前快速模具制造技术面临的关键问题和研究任务集中在以下方面:1)快速软模及陶瓷等模具的使用范围受到限制,压铸、注塑、冲压等主导模具的金属模快速制造是RT技术努力的方向;2)间接制模法与直接制模法相比,虽然在实用化方面占优势,但因工序较多,受材料性质及制造环境的影响,精度控制难度大。开发尺寸稳定性好的制模材料、减少制模工序是提高间接制模法精度的关键;5后期研究任务3)直接制模法在表面精度、尺寸精度及综合力学性能等方面仍难满足需要高精度、高表面质量的耐久模具制造要求,且受成本、尺寸规格限制。低成本且适用于精细加工及多种材料成型的堆积和去除成形技术的集成,将是提高直接制模法的实用性、材料适应性和表面精度的有效方法;4)快速制模法适合我国国情，具有广阔的应用前景。与高速铣削加工相比，在表面带精细复杂形状和电火花加工难以省去的金属模具制造方面占有优势。要进一步提高快速制模技术的竞争力，必须开发加工数据生成较数控加工数据生成更容易，并能获得所需的尺寸及表面精度材料选择范围广的直接快速制模新方法。参考文献[1]C.K.Chua,S.H.Teh,R.K.L.Gay.Rapidprototypingversusvirtualprototypinginproductdesignandmanufacturing[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology.2009(8)[2]郑志敏.快速模具技术现状及其应用研究[R].机械机电，2014,02(2).[3]高茂涛.注塑模具发展综述[J].轻工科技.2014,02.[4]周慧涛.快速模具制造技术发展现状与趋势展望[J].轻工科技.2015.03.[5]奚云赫.机械模具技术的发展方向与现状分析[J].科技与企业.2016(01).[6]吴晓春,左鹏鹏.国内外热作模具钢发展现状与趋势[J].模具工业.2013(10)THANKS感谢大家的批评与指正