《逆向工程及快速成型原理》讲义__RT篇

逆向工程及快速成型ReverseEngineering&RapidPrototyping主讲：匡唐清华东交大材料工程系主要内容概论软模桥模硬模RE&RP——RT篇快速制模：快速模具制造（RapidTooling，简称RT），是以RP为技术支撑而发展起来的新型制造技术。特点：制模周期短，一般为传统模具制造的1/3～1/10；工艺简单，易于推广；制模成本低（仅为传统制模的1/3～1/5）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。概论快速制模：方法直接法：–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。–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。–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。–用FDM法直接制成金属模。将不锈钢粉末用FDM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概论快速制模：方法间接法：–由快速成形或其他途径得到零件原型，根据不同的批量和功能要求采用合适的工艺方法快速翻制得模具概论快速制模概论软模技术一般指硅胶模，由SLA,FDM，LOM或SLS制造零件原型，再翻制硅胶模后，向模中灌注双组分树脂，固化后得到所需零件。通过调节树脂中双组分的构成来调整树脂零件的机械性。过渡模(桥模)技术一般为环氧树脂模具，桥模是介于试制用软模与正式生产模间的一种模具，可直接进行注塑生产，使用寿命目标为100－1000个零件，零件用与最终零件生产期望的产品材料制成。可满足中小批量生产的需要硬模技术硬模一般指用间接方法制造的金属模具和用快速成形（金属粉末选择性烧结）直接制造的金属模具间接法：先利用快速成形技术加工出非金属材料的原型，然后借助其他技术将这些非金属原型翻制金属零件或金属模具概论工艺路线原型件的准备（略）硅橡胶模的结构硅橡胶模的优点硅橡胶模的制造浇注品的制造应用软模工艺路线硅橡胶模的结构软模零件三维造型STL文件格式RP原型制造硅胶模翻制树脂件生产硅橡胶模的优点结构较简单，制作周期短只要工件的原型件，无需昂贵的设备和模架等装置，不必模具设计，在几小时内就能完成制模与产品成形。与传统金属模注射成形塑料工件相比，用硅橡胶模能缩短开发周期高达90%；成本低与CNC机加工的金属模相比，硅橡胶模的制作费用低得多，一般只有金属模的几分之一；弹性好，工件易于脱模不必添加脱模斜度，工件往往就能脱模，可大大简化模具的设计；复印性能好，精度高硅橡胶的收缩率小，有优良的复印性能，能达到金属模同样的精度；软模硅橡胶模的优点能用于在室温下浇注高性能的聚氨酯塑料件或蜡件反应成形聚氨酯又称为反应成形塑料。它的原材料通常是液态双组分材料，将这两个组分按一定的比例加以混合，并在室温下浇注到成形模具内，能迅速（几十秒至几分钟内）完成固化反应,10～40min内能脱模，然后,一般在80℃下经几小时保温，可完全固化成高性能的塑料件（如ABS工件），这种成形塑料件的方法不必采用金属模和热注射成形机，一般称为塑料反应成形工艺。广泛应用在新产品的试制中通常用于成形塑料件，也可用于成形失蜡铸造所需蜡件。普通室温硫化硅橡胶模的使用寿命取决于工件的复杂程度，一般为10～20个工件，足够新产品研制的需求。软模硅橡胶模的缺点导热性能差寿命短不能成形真实的零件不能采用热注射工艺成形工件软模硅橡胶模的制造原材料双组分室温硫化有机硅橡胶–聚合型：固化时产生副生成物，收缩率较大»缩合型模具硅橡胶的抗剪切强度较低，在模具制造过程中易撕裂，难于成型花纹深、形状复杂的模具；成型过程中由于缩合交联反应产生乙醇物质难以完全排出，使模具在受热时硅橡胶降解老化，同时由于乙醇的排出也使得硫化胶的体积收缩，影响模具的尺寸缩小。»因此，常用在塑料或人造革生产中的高频压花模具，或尺寸要求不高的工艺品制造。–加成型：»由于采用加成硫化体系，在成型过程中不产生低分子化合物，因而具有低得线性收缩率，胶料可以深部固化，且物理、力学性能和耐热老化性能优异，适用于制造精密模具和铸造模具，且模具制造工艺简单，不损伤原型、仿真性好。»成为模具硅橡胶的主导软模硅橡胶模的制造设备真空浇注机–真空的作用是提供真空环境，排除液态材料中混入的空气或湿气，避免在浇注件中出现气泡。反应注射机–压力和流量比较大，适合反应成形中大型塑料件，但是，往往难于在真空环境下成形，所以应注意设法排除塑料件中的气泡软模真空浇注机浇注反应注射机硅橡胶模的制造步骤软模由于RP技术生产出来的原型材料与硅橡胶不发生反应，制造过程中没有经过变形，也不会产生褶皱，能够生产出与精密塑料件一样的表面质量。硅橡胶模的制造步骤原型表面处理–RP原型一般存在台阶纹或缝隙，需进行打磨和防渗与强化处理等以提高原型的表面光滑程度和抗湿性与抗热性等。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。软模制作型框和固定原型–依据原型的几何尺寸和硅胶模使用要求设计浇注型框的形状和尺寸，型框的尺寸应适中。–在固定原型之前，需确定分型面和浇口的位置，这直接影响着浇注产品能否顺利脱模和产品浇注质量的好坏。当分型面和浇道选定并处理完毕后，便将原型固定于型框中。硅橡胶模的制造步骤硅橡胶计量、混合并真空脱泡–硅橡胶用量应根据所制作的型框尺寸和硅橡胶的比重准确计量。将计量好的硅橡胶添入适当比例的硬化剂，搅拌均匀后进行真空脱泡。脱泡时间应根据达到的真空度来掌握。硅橡胶浇注及固化–硅橡胶混合体真空脱泡后浇注到已固定好原型的型框中。–浇注后，为确保充填完好，再次真空脱泡。–脱泡的目的是抽出浇注过程中掺入硅胶中的气体和封闭于原型空腔中的气体，此次脱泡的时间应比浇注前的脱泡时间适当加长，具体时间应根据所选用的硅橡胶材料的可操作时间和原型大小而定。–脱泡后，硅胶模可自行硬化或加温硬化。加温硬化可缩短硬化时间。软模硅橡胶模的制造步骤拆除型框、刀剖开模并取出原型–当硅胶模硬化后，即可将型框拆除并去掉浇道棒等。–参照原型分型面的标记进行刀剖开模，将原型取出–对硅胶模的型腔进行必要清理，便可利用所制作的硅橡胶模具在真空状态下进行树脂或塑料产品的制造软模拆除型框刀剖开模取出原型清理后合模小件树脂产品硅胶模的制作流程关公硅胶模制作产品制造原材料聚氨酯材料–硬质材料（类ABS）、半硬质材料（类PP，PE，PC，PMMA）和弹性材料（类橡胶）–操作时间3－5m，离模时间1h制造过程通过改变树脂中双组分的构成来调整树脂零件的机械性能模具寿命为20－50件树脂零件软模产品制造制造过程软模产品制造制造过程预热–预热硅橡胶模和原材料（液态双组分聚氨酯）合模–用大号订书机沿分模面顺序订压订书钉，缠绕一圈胶带，使上下半模良好密封，防止浇注时液态材料从分模面溢出抽真空–将硅橡胶模放入真空浇注机，排除模具型腔中的气体浇注–通过控制系统，将A杯内的固化剂注入B杯，混合器开始进行搅拌，然后，使B杯中已混合的液态材料通过漏斗徐徐注入模具的型腔软模产品制造制造过程固化–待硅橡胶模中的液态材料初步固化后，将模具放入烘箱，在70～75℃下加热，使液态材料完全固化取件–取出硅橡胶模，去除模具上的胶带与订书钉，用压缩空气枪向模具的浇口吹气，分开上下半模，取出塑料件。后处理软模应用可用于快速成形塑料件（最普遍）或蜡件，这些成形件不仅是一般的塑料件，而且可以是大型、复杂、高性能、高透明度、高精细度的塑料件软模汽车保险杠ABS塑料件硬塑料件、透明塑料件和弹性塑料件软模应用软模形状复杂的塑料件及其硅橡胶模硅橡胶模和浇注的弹性件有许多密集小孔的网格式塑料件硅橡胶模与浇注的蜡模用硅橡胶模浇注的透明光学件铝填充环氧树脂模CompositeAluminum-FilledEpoxy,CAFE制模材料：铝基复合材料－填充铝粉的环氧树脂SLA成形的树脂壳－铝填充环氧树脂衬模成形部分采用SLA成形的型芯/型腔壳采用铝填充环氧树脂填充壳背面桥模铝填充环氧树脂模制造工艺模型准备–首先，真实功能零件制造中可能存在材料的收缩，因此，原型的形状和尺寸应该适当修正以补偿材料收缩引起的变形。–另一个问题是由制模方法所决定的，用于制造环氧树脂模具的快速原型应带有适当的拔模斜度。–首先由快速成形技术制作原型（实际最终零件）用作母模，作为母模的原型件必须经过表面打磨和抛光桥模铝填充环氧树脂模制造工艺底座制作并固定原型–底座的制作要保证与模型及分型面相吻合，底座可以由一些容易刻凿的材料像木材、金属、塑料、玻璃、石膏、甚至耐火泥制作。–固定好模型后，进行模框搭建。当环氧树脂模具需要用模框加强时，模框应当用金属制作，并且模框内部应尽可能粗糙，以增大环氧树脂与模框的粘接强度。桥模铝填充环氧树脂模制造工艺涂脱模剂–为了顺利脱模，模型及分模面必须涂脱模剂。脱模剂应该涂得尽可能地薄，并且尽可能均匀地涂2～3遍，以防止漏涂和涂不均匀。然而，起增强作用的金属模框和一些镶嵌件不能涂脱模剂。有时，为了使其与环氧树脂连接更好，还应打毛其表面，或将其作为镶嵌结构。将环氧树脂与固化剂和填料及附加物金属粉末等均匀混合，混合过程中必须仔细搅拌，尽可能地防止混进气体。采用真空混料机可以有效地防止气体的混入。桥模铝填充环氧树脂模制造工艺浇注树脂–脱模剂喷洒完毕后，将混合好的填充物浇注到型框内，应掌握浇注速度尽量均匀，并尽可能使环氧树脂混合料从模框的最低点进入。去除底座并进行另一半模的制作–待树脂混合物基本固化后，将模具小心的翻转过来并移走底座，搭建另一半模的模框，喷洒脱膜剂，同样过程浇注另一半模具。桥模铝填充环氧树脂模制造工艺树脂硬化并脱模–待树脂完全固化后，移走型框，将上下半模放入后处理的炉子内加热并保温。–环氧树脂的硬化过程可以在一定压力下进行。实践证实，压力条件下进行硬化可以防止气孔的产生，并可提高材料的致密度以及模具的精度和表面光洁度。由于光固化树脂的力学性能较低，而且大部分做成中空结构（为了提高制造速度并节约树脂材料），因此压力不能太高。–硬化过程最好在60℃以下，因为光固化树脂材料的玻璃化转变温度一般在60~80℃之间。–当环氧树脂完全硬化后，采用顶模杆或专用起模装置将原型从树脂模具中取出，如图所示。桥模铝填充环氧树脂模制造工艺模具修整并组装–如果环氧树脂模具上存在个别小的缺陷，可以进行手工修整。修整包括局部环氧树脂补贴和钳工打磨等。当上下半模修整完毕后，便可以与标准的或预先设计并加工好的模架进行装配，完成环氧树脂模具的制作，交付使用。桥模铝填充环氧树脂模制造工艺正母模–一个工步–母模、树脂模都较硬，对较复杂零件必须适当增加拔模斜度，保证顺利脱模负母模＋中间硅橡胶软模–负母模设计、制造较困难–易于脱模–二工步，尺寸误差增大正母模＋两次中间硅橡胶软模–工序较多，尺寸误差增大桥模正母模：形状与最终零件相同，考虑了收缩补偿负母模：形状与最终零件相反，考虑了收缩补偿铝填充环氧树脂模制造过程（正母模）有真空条件–制造母模和分型板–母模表面涂覆脱模剂–母模、分型板置于型框中–设置冷却管–配备模具材料（精细研磨铝粉和双组分热固性环氧树脂），真空脱泡–真空浇注，固化–拆分，重复过程浇注另一半模–检查型芯型腔–定位、加工浇注孔、安装推料板/推料杆/冷却管、装配至标准模架–热塑性塑料注射成型桥模铝填充环氧树脂模特点与传统注塑模相比，省略了模具设计、数控加工和热处理三个耗时费钱的过程，成本大大降低，生产周期大大缩短；模具寿命可达100－1000件，对形状简单零件可达500