快速模具制造技术的发展情况与部分案例

HEATS

着全球经济的进一步一体化，制造业竞争显得越发激烈。如何缩短生产周期并降低成本，成了制造业首要考虑的问题。提高产品的开发速度和生产的柔性化程度成为共同的目标。  

快速-模具制造技术（RT）就是适应这种市场需求，能快捷、方便地制作工具和模具的一种新型技术。以快速成形技术为基础的快速制模技术，是20世纪80年代后期发展起来的新兴技术，是传统的制模方法与快速成形技术相结合的产物。与传统技术相比，快速制模技术从产品的开发设计到原型件模型的制作，直到产品模具的制造、产品的生产都显示出了无比的优越性。  

从古代的手工制作到后来的CAD画图，再到现在的RT，它的发展也就形成了一个综合的制造系统。  

快速制模技术适合中国国情，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。  

根据模具材料、生产成本、RP原型的材料、生产批量、模具的精度要求已开发出多种多样的工艺方法。目前的快速制模方法大致有间接制模法和直接制模法，基于RP快速制造模具的方法多为间接制模法。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具有软模、桥模和硬模。  

软模（soft tooling）通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。桥模（bridge tooling）通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达1000～5000件，可满足中小批量生产的需要。硬模（hard tooling）通常指的就是钢质模具，即用间接方式制造金属模具和用快速成形直接加工金属模具。 

快速原型技术（RP）  

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中国。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。  

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。  

基于RP技术的部分快速模具制造实例  

一、车灯壳的硅胶制模  

真空浇铸技术是快速原型/快速制模技术领域中较新的技术，常用于软质模具制造。下面就介绍用真空浇铸技术来制造车灯壳硅胶模的过程。  

1. 试验设备  

所用设备包括MK-Mini真空浇铸机、太阳能电子天平、静音空压机、脱模工具和耗材。模具制作材料用硅胶T2和硬化剂（一般按10:1的比例配制）。  

2. 硅胶模的制作过程  

（1）原型表面处理  

用一般的快速原型成形方法制作的车灯原型件，其叠层断面之间一般常存在缝隙或凹凸不平的台阶纹，通常需要进行防渗处理、强化处理以提高原型的抗湿性、抗热性和尺寸稳定性。同时，要对原型表面进行清洁以提高表面的光滑程度。只有原型表面足够光滑，才能保证制作的硅胶模型腔的光洁度，进而确保翻制的产品具有较高的表面质量和便于从硅胶模中取出。  

（2）硅胶和固化剂计量，混合并抽真空  

首先依据原型件（车灯壳）的尺寸和形状估计原型件的体积，再计算出型箱的体积，两者相减即得所需硅胶的体积。根据硅胶的密度计算硅胶的重量和硬化剂的重量（两者比例约为10:1），然后混合并放入MK-Mini真空浇铸机里抽真空，这主要是除去胶料搅拌时混入的空气及部分反应产物。在这个过程中需要注意的是依据估计的原型件体积来称取硅胶时要适量，型箱体积取得过小，可以降低硅胶的用量，节省制模成本，但是会影响硅胶的使用效果且不利于硅胶模的浇注，从而使制作的模具存在缺陷；体积取得过大，既浪费硅胶增加成本也增加了从硅胶模中取出产品的难度。  

（3）选取分离面、贴胶纸并制作浇口  

采用真空浇注技术原则上不管多复杂的零件，包括凸、侧凹零件，都能成形。关键的问题是要正确、精确地确定分离面的位置，因为它直接影响着浇注产品能否顺利脱模以及产品浇注质量的好坏。浇注口的定位应该使得树脂到达型箱各个边缘的路径长短相同，这样有利于浇注，甚至有可能省掉浇冒口。  

浇注口信道位置的固定件最好用光滑的圆杆，通常使用硅胶棒。对于该车灯壳选取下表面为分离面，并在分离面上贴上胶纸，然后用硅胶棒制作浇口。浇口位置只能选取端面位置，不能选上下表面，因为这样会影响车灯的表面光洁度和光学性能，从而影响质量。  

（4）硅胶浇注再抽真空固化并烘干  

把排气过的硅胶小心地从侧面倒入型箱，硅胶沿着一侧的箱壁进入型箱，直到原型件全部没入硅胶内。把型箱放入MK-Mini系统中，再次进行抽真空，目的主要是脱去在浇注时因吸附或受堵面残存在胶料中的气泡。这些气泡对模具质量有极大的影响，脱除不彻底会在模具表面产生气孔等缺陷。对此排气进行的时间大约50分钟，将硅胶从真空室里取出放烤箱中烘干，对硅胶进行加速硬化。  

（5）脱模  

在硅胶硬化后，模具就可打开了。在打开之前通过浇注口通入压缩空气，使得模具与原型件分开，便于下一步脱模。  

首先用笔在分离面画出波浪线的分割线，再用小刀按波浪线切开硅胶模。由于硅胶的透明性，小刀切割的过程可以很清楚地看到。这里要注意小刀在尽可能地对着分离面，以防切开的截面与分离面离得太远。为防止浇注时模具的错位，切割模具时，切口应切成锯齿状。然后利用脱模工具将原型件取出后，将硅胶上残留的胶带和硅胶屑去掉，从而车灯的硅胶模具就制作出来了。  

利用这个模具就可以制作出许多色样但形状相同的车灯壳产品了。  

3. 产品的制作  

把制作好的两半硅胶膜具盖上并用钉针固定。先抽真空然后再放入真空浇注机中，使浇注口对准漏斗嘴，把产品材料放入Mini浇注机的杯中，起动机器。通过浇道浇注，完后取出模具进行烘干，待固化后，再取出模具开模，这样产品就被制造出来了。产品可以根据需要选择不同的颜色。从实验中可知，采用这种快速制模技术制作的产品无论是在质量、式样、还是表面精度，与原型件相比都不逊色，完全能满足快速生产的要求。 
   
二、大型汽车覆盖件模具的快速制作  

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存在的缺点为：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0.1mm-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（包括工作部分和其它部分）。  

（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。 

快速制模技术发展趋势  

快速制模技术是在与传统的机械加工制模技术的竞争中产生并发展起来的。虽然近年来高速铣削技术得到迅速发展，其高达10多万转/分的铣削速度和良好的表面精度已大大提高了机械加工制模技术的竞争力，再加上电火花加工技术，致使机械加工制模技术成为快速制模技术强大的竞争对手。但是，在制造表面带微细形状、流道复杂，以及具有梯度功能材料和不同材质表面的模具等方面，快速制模技术也有着机加工无可比拟的优势。  

目前，中国的汽车、家电、电子/通讯、轻工等诸多行业新产品的开发越来越离不开快速制模技术。对于该技术在中国的发展，我们的长远目标是开发出具有原创性的短流程、高精度的快速制模所需的新材料和新工艺，以形成具有中国自主知识产权的快速制模核心技术。而当务之急则是加大对于大中型、复杂形状、耐久性、高精度金属模具的快速及低成本制造新工艺和新材料的开发力度。 # `8 a4 B: L: q, o9 g