快速原型技术及在模具制造中的应用

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1、快速原型技术及在模具制造中的应用

2、第1....luns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。近年来，随着扫描振镜性能的提高，以及材料科学和计算机技术的发展，快速原型技术已日趋成熟，并于1994年正式进入推广普及阶段。　　按照所用材料的形态与种类不同，快速原型技术目前有以下四种类型。3.1　利用激光固化树脂材料的光造型法　　光造型装置一直以美国3DSystems公司的SLA型产品独占鳌头，并形成垄断

3、市场。其工作原理如图1所示。由激光器发出的紫外光，经光学系统汇集成一支细光束，该光束在计算机控制下，有选择的扫描液激光器扫描镜升降装置容器光敏树脂体光敏树脂表面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层固化光敏树脂，每固化一层后，工作台下降一精确距离，并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描，使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此反复，直至制作生成一零件实体模型。激光立体造型制造精度目前可达±0.1mm,主要用作为产品提供样品和实验模型。此外，日本帝人制机开发的SOLIFORM可直接制作注射成型模

4、具和真空注塑模具。图1　立体光造型技术原理图3.2　纸张叠层造型法　　纸张叠层造型法目前以Helisys公司开发的LOM装置应用最广。该装置采用专用滚筒纸，由加热辊筒使纸张加热联接，然后用激光将纸切断，待加热辊筒自动离开后，再由激光将纸张裁切成层面要求形状，如图2所示。图2　纸张叠层造型原理图LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能。3.3　熔融造型法　　熔融造型法以美国Stratasys公司开发的

5、产品FDM(FusedDepositionModelling)应用最为广泛。工作时，直接由计算机控制喷头挤出热塑材料并按照层面几何信息逐层由下而上制作出实体模型。FDM技术的最大特点是速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。3.4　热可塑造型法　　热可塑造型法以DTM公司开发的选择性激光烧结即SLS(SelectiveLaserSintering)应用较多。该方法是用CO2激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。工作时，由CO2激光器发出的光束在计算机控制下，根据几何形体各层横

6、截面的几何信息对材料粉末进行扫描，激光扫描处粉末熔化并凝固在一起。然后，铺上一层新粉末，再用激光扫描烧结，如此反复，直至制成所需样件。如图3所示。图3　选择性激光烧结原理图SLS技术造型速度快（一般制品，仅需1天～2天即可完成）、造型精度高（每层粉末最小厚度约0.07mm,激光动态精度可达±0.09mm,并具有自动激光补偿功能）、原型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达34.5MPa,尼龙可达55MPa），因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况。　　在快速原型技术的开发应用方面，美国和日本走在前列

7、。近年来，我国快速原型技术的发展已十分迅速。华中理工大学在1994年开发研制成功两种快速成型系统样机HRP和RPS,目前已进入商品市场，广泛应用于汽车、玩具、航空航天、造船、军工等行业。4　快速原型技术在模具制造中的应用4.1　快速制模铸造　　将需铸零件的CAD模型转换为快速模壳制造，按模壳每层截面的几何形状生成陶瓷模壳然后按快速熔模铸造方法即可快速制造金属零件。此外，可将快速原型技术制作生成的样件作为铸造模具的原模，实现零件的快速铸造，其过程为：零件CAD三维设计→计算流体动力学分析（CFD）→LOM模型制造→熔模铸

8、造金属零件。4.2　快速模具制造　　传统的模具制造方法周期长、成本高，一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。快速原型技术可精确制作模具的型心和型腔，也可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。　　美国爱达荷国家工程与环境试验中心采用快速凝固工艺即RSP技术实现了注塑模具的快速经济制造。该方法采用快速原型技术制作的样件作为母体样板，通过喷涂到母体样板的金属或合金熔滴的沉积制造模具。其工艺过程为：熔融的工具钢或其它合金被压入喷嘴，与高速流动的隋性气

9、体相遇而形成直径约0.05mm的雾状熔滴，喷向并沉积到母体样板上，复制出母样的表面结构形状，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。图4　采用RP技术的产品开发流程图母样使用的材料取决于喷涂其上的合金材料。对于喷涂工具钢来说，可选用陶瓷材料，类似材料还有铝氧粉和氧化锆可供选择。该方法制作精度高（喷涂工具钢时最小