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基于快速成形技术的快速模具制造技术
一、引言
    近10年来，制造业市场环境发生了巨大的变化，迅速将产品推向市场已成为制造商把握市场先机的重要保障。因此，产品的快速开发技术将成为赢得21世纪制造业市场的关键
    快速成形技术(以下简称RP)是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控激光技术和材料学为一体的新兴技术，它采用离散堆积原理，将所设计物体的CAD模型转化成实物样件。由于RP技术采用将三维形体转化为二维平面分层制造的原理，对物体构成复杂性不敏感，因此物体越复杂越能体现它的优越性。
    以RP为技术支撑的快速模具制造RT(Rapid Tooling)也正是为了缩短新产品开发周期，早日向市场推出适销对路的、按客户意图定制的多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术。由于产品开发与制造技术的进步，以及不断追求新颖、奇特、多变的市场消费导向，使得产品(尤其是消费品)的寿命周期越来越短已成为不争的事实。例如，汽车、家电、计算机等产品，采用快速模具制造技术制模，制作周期为传统模具制造的1/3～1/10，生产成本仅为1/3～1/5。所以，工业发达国家已将RP/RT作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一，我国也已开始了快速制造业的研究与开发应用工作。
二、基于RPM的快速模具制造方法
    模具是制造业必不可少的手段，其中用得最多的有铸模、注塑模、冲压模和锻模等。传统制作模具的方法是：对木材或金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工，得到所需模具的形状和尺寸。这种方法既费时又费钱，特别是汽车、摩托车和家电所需的一些大型模具，往往造价数十万元以上，制作周期长达数月甚至一年。而基于RPM技术的RT直接或间接制作模具，使模具的制造时间大大缩短而成本却大大降低。
    1. 用快速成形机直接制作模具
    由于一些快速成形机制作的工件有较好的机械强度和稳定性，因此快速成形件可直接用作模具。例如，Stratasys公司TITAN快速成形机的PPSF制件坚如硬木，可承受300℃高温，经表面处理(如喷涂清漆，高分子材料或金属)后可用作砂型铸造木模、低熔点合金铸造模、试制用注塑模以及熔模铸造的压型。当用作砂形铸造的木模时，它可用来重复制作50～100件砂型。作为蜡模的成型模时，它可用来重复注射100件以上的蜡模。用FDM快速成形机的ABS工件能选择性地融合包裹热塑性粘结剂的金属粉，构成模具的半成品，烧结金属粉并在孔隙渗入第二种金属（铝）从而制作成金属模。
2.用快速成形件作母模，复制软模具(Soft tooling)
    用快速成形件作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，或先浇注硅橡胶、环氧树脂模(即蜡模的压型)，再浇注蜡模。其中，蜡模可用于熔模铸造，而硅橡胶模、环氧树脂模等可用作试制用注塑模或低熔点合金铸造模。
    3.用快速成形件作母模，复制硬模具(Iron tooling)
    用快速成形件作母模，或据其复制的软模具，可浇注(或涂覆)石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属，构成硬模具(如各种铸造模、注塑模、蜡模的压型、拉伸模)，从而批量生产塑料件或金属件。这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削加工，以便获得更高的精度，或镶入嵌块、冷却系统、浇注系统等。用金属基合成材料浇注成的蜡模的压型，其模具寿命可达1000～10000件。
    4. 用快速成形系统制作电脉冲机床用电极
    用快速成型件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，可制作金属电极或石墨电极。
    三、基于RP的快速模具制造的应用
    1. 利用硅橡胶模(Silicon Rubber Mold)制作佛头、线圈
    硅橡胶有很好的弹性和复制性能，用它来复制模具可不考虑拔模斜度，基本不会影响尺寸精
度，而且这种材料有很好的切割性能，用薄片就可容易地将其切开且切面间非常贴合，因此用它来复制模具时可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再沿预定的分模面将其切开，取出母模，即可得到上下两个软模。
(1)试验用设备和材料
    所用的设备：Stratasys的Titan快速成形机、HVC-1真空注型机和恒温箱。所用的材料：日产KE-1310ST透明硅橡胶、日产CAT-1310固化剂(浇注时，KE-1310ST与CAT-1310以100：10混合)和PX215真空注型硬制聚氨脂树脂(异氰酸脂，多元醇1∶1混合)。
(2)制模工艺路线
    使用 UG、PRO-E、Solid Edge 等软件进行三维实体造型，以STL文件格式保存；将文件输入快速成形机作出制件原型，处理后作为硅橡胶母模；组合模框后将硅橡胶和固化剂的混合物浇注于框中，通过真空脱泡、固化后剖切取出母样即得硅胶模；最后在真空注型机中浇注塑料样件。具体的制模流程如图1所示。
CAD三维造型软件
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STL文件
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FDM快速成型制作母件
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制作模框
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浇注硅胶和固化剂的混合物
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固化
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分模
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树脂浇注
图1 制模工艺路线
(3)制作硅胶模具时的注意事项
    对加成型硅橡胶而言，不要在室温下固化，而以40℃～60℃加温固化；分模面的选取一定要注意将外观面朝下，在内观面的合适位置上放置胶棒；如果零件有倒钩，可以在硅胶模上作45°切口，但注意不要割断；在一些树脂不易流满的死角处，一定要做气孔；对不容易进行分模的原型件，可以喷少许离型剂。
    此外，对形状复杂(倒钩、斜面很多)，两半模无法满足脱模条件的情况，开模时可以将硅橡胶模具剖开成数块来处理。但要注意，在浇注塑料件的时候合模应精确，否则会因模具的错位或合模不紧而影响浇注品的精度。
(4)应用图例
    图2和图3分别是我们制作的佛头和线圈模具的照片。

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图2 佛头模具

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图3 线圈模具
2. 利用电极(electroforming)快速制造精铸摆杆
注射模等多种模具的型腔常常用电脉冲加工机床(EDM)制作。它是利用导电材料(金属)在液体介质中放电时的电腐蚀现象来对金属材料(型腔)进行加工的，原理如4所示。

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图4 电脉冲加工原理图
(1)精铸摆杆制作工艺流程
    如图5所示，在此摆杆制作工艺中，电极的制作是关键。我们首先用快速成形机制作出母件，在其表面进行金属喷镀构成铜电极壳体，然后取出电极壳体，在电极壳体的背面注射环氧树脂，用电极固定座与电极壳体连接构成铜电极。这样，精铸摆杆电极就制作完成了。
FDM快速成型机制作母件
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利用喷镀法由母件制作上、下形状电极
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通过电蚀加工出摆杆上、下模腔
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制作蜡模
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利用蜡模进行铸造
图5 摆杆制作工艺流程
(2)注意事项
    1)这种方法由于通过电极的电流较大会产生大量的热，如果散热不够好，镀层和母体易分离，导致电极镀层畸变、破裂，加剧损耗。为此，可在电极中设置相应的冷却道，或在*近镀层处放入金属嵌块来改善导热。
    2)在电脉冲加工过程中，电极与被加工表面之间的间隙应适中。过大，极间电压不能击穿极间介质，从而不能产生火花放电，过小，容易短路。
    3)加工工件必须放在较高绝缘强度的液体介质中进行。通常采用泵和过滤器使工作液循环过滤。
    4)精加工电极表面应尽可能光洁，以便减少模腔表面的后处理工作量。
(3)应用图例
    如图6所示，从左向右依次为快速原型件、上半形状电极及模具、下半形状电极及模具、蜡模。

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图6 剪毛机摆杆
四、结束语
    从上面的论述中可以看出，快速成型技术及以其为基础的快速制模技术在企业新产品开发中起着重要作用。它可以极大缩短新产品的开发周期，降低开发阶段的成本，避免开发风险。在21世纪，新产品的快速开发成为企业生存与发展命脉时，该项技术必将得到广泛应用与发展。