基于RP技术的快速模具制造

优胜编程龚老师

基于RP技术的快速模具制造:

快速原型技术(Rapid Prototyping，简称RP)于1988年诞生于美国，迅速扩展到欧洲和日本，并于九十年代初期引进我国。快速原型技术(RP)是采用材料累加思想，快速制造产品原型的新型综合技术，已广泛应用于机械、汽车、电器、航天航空、军工等几乎所有的工业领域，开创了模具快速制造的新时代，发展前景广阔。

一、快速成形—先进的现代制造技术

传统的切削加工是不断地去除毛坯上的多余材料而得到制件，而RP技术是采用基于材料累积制造的思想，把三维立体看成是无数平行的、具有不同形状的层面的叠加，能快速制造出产晶原型。快速原型制造技术(RP)将计算机辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)、计算机辅助控制(CHC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓，激光选择性的切割一层层的纸(或固化一层层的液态树脂、烧结一层层的粉末材料或热喷头选择快速地熔覆一层层的塑料或选择性地向粉末材料喷射一层层粘结剂等)，形成各截面轮廓并逐步叠加成三维产品。目前，它已成为现代制造业的支柱技术，是实现并行工程、集成制造技术和技术开发的必不可少的手段之一。

用于快速原型制造的材料有：液态光敏树脂、粉末材料、热塑性材料和薄片材料等。快速原型制造按成形材料及技术的不同，发展了立体光刻造型法(SL)、粉末烧结法(SIS)、熔化凝结法(FDM)、薄层材料制造法(LOM)、三维印刷法(3DP)、逐层固化法(SGC)。

与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：

(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。 (2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。　 (3)无振动、噪声和切削废料。 (4)可实现夜间完全自动化生产。 (5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。

二、RP技术在我国的发展

国内RP研究起步是在1991年左右，北京隆源快速成形公司、清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中理工大学、上海交通大学、华北工学院等单位在成型理论、工艺、设备、材料、软件开发等方面做了大量的研究工作。有些单位已开发出商品化、能做出复杂原型的RP系统。在基于快速成形技术的快速制造模具方面：上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具；隆源公司的ＲＰ服务中心也为企业制作了多种精密铸模；华中理工大学研究出了一种复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。此外，国内的家电行业在快速成形系统的应用上，也走在了国内前列。如广东的美的、华宝、科龙、江苏的春兰、小天鹅、青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速成型技术的服务机构。

三、快速原型技术在模具制造中的应用

3.1　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→熔模铸造金属零件。

3.2　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(喷涂工具钢时最小表面涂层可达0.038mm，制造精度可达±0.025mm～±0.05mm)、时间短(普通模具一周之内即可成型)、造价低(一般为传统模具制造费用的1/2～1/10)。



3.3　快速铸造模具

以聚碳酸脂为材料，用SLS快速制出母型，并在母体表面制出陶瓷壳型，焙烧后用铝或工具钢在壳内进行铸造，即得到模具的型心和型腔。该方法制作周期不超过4周，制造的模具可生产250000个塑料制品。

3.4基于RP法的快速模具制造实例与效果

1.汽车刹车钳体精铸母模的激光快速成型加工

汽车工业中很多形状复杂的零部件均由精铸直接制得，如何高精度、高效率、低成也制造这些精铸件的母模是汽车制造业中的一个重要问题，采用传统的木模工手工制作，对于面形状复杂的母模，不但效率低、精度低，难以满足生产需要。采用数控加工中心制作，则成本太高。

采用快速成型技术中的熔融沉积制造工艺制造汽车复杂零部精铸用模，成本低，效率高能够满足生产需要。

工艺过程：首先根据汽车刹车钳体精铸母模的二维图纸，采用Pro-E三维实体建模软件，建立其三维实体CAD模型，然后再采用Lark"98系统对CAD模型进行数据处理和工艺规划，最后采用FDM工艺制得汽车刹车钳体精铸母模。

1995年8月，采用FDM工艺制造了奥迪轿车刹车钳体精铸母模的RP原型，整体支撑效果很理想，一个完整的包围盒起了很好的保温作用。原型尺寸精度高、尺寸稳定不变形、表面光洁度好、线条流畅，其精度完全达到并超过了精铸母模质量验收标准，并铸出了金属制件，取得了明显的阶段性成果，有力地支持了高级轿车国产作。

2.采用RP／RT技术制作大型汽车覆盖件模具

传统的大型汽车模具制造方法是首先通过铸造获得型坯，然后通过机加工的方法对型坯进行加工来保证模具的尺寸，传统的模具加工方法的缺点为：制造周期长，成本高，降低模具开发的周期和成本成为急待解决的问题。

快速模具制造(RT工艺)是一种新型的工艺，RT工艺方法之一是通过快速原型制造(RP工艺)获得原型，通过无焙烧陶瓷型技术将原型转换为陶瓷型，再进行精密铸造获得尺寸精度较高、表面光洁度良好的铸件，经抛光处理后即得到所制造的模具。

清华大学激光快速成型中心与一汽集团，一汽模具技术有限公司合作采用RP／RT技术制作大型汽车覆盖件模具，制作步骤如下：

(1)用Pro／E造型软件做出CAD模型

应用MARC非线性有限元分析软件对铸件的凝固过程的尺寸精度进行有限元分析，修改CAD模型。

(2)LOM工艺制造模具凸凹模工作部分的原型，在殷华公司M-RPMS—II型设备上，应用LOM分层实体制造工艺，采用YHCP-1004涂敷纸，完成模具凸凹模的原型制作，其余部分由砂型制造。

(3)凸凹模工作部分的原型采用M-RPMS-Ⅱ型多功能快速成型机制作，轮廓扫描速度为300mm／s，网格直线速度为500mm／s，二氧化碳激光器功率为35W，采用YHCP-1004涂覆纸，热压温度为90℃，纸和胶层的总厚度为0.1-1mm。

(4)利用无焙烧陶瓷转换技术将模具的凸、凹模原型转换为陶瓷型，陶瓷型凝固时间为8-10分钟，表面粗糙度Ra0.8-3.2。

(5)采用陶瓷型精密铸造与消失模铸造技术相结合的方法制造凸、凹模(包括工作部分和其他部分)。

(6)对铸造得到的模具进行简单的抛光、打磨，获得所需的模具。

北京殷华激光成型及模具有限公司采用RP／RT技术完成了大型汽车覆盖件模具的凸凹模制作，这是一个试验用板料冲压模具，它的成功开辟了一条大型覆盖件模具制造的新路。

四、结语

快速原型技术是20世纪80年代中期发展起来的高新技术，RPM的主要技术特征是成型的快捷性。运用RPM技术能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直接制造零件，这对缩短产品开发周期、减少产品开发费用，提高企业竞争力有重要作用。