基于逆向工程和SLS母模的快速模具制作

摘 要：运用逆向工程技术获得产品数字模型，采用SLS技术烧结成型产品实物，并以此为母模制作环氧树脂模具。最后，进行浇注实验，获得了质量较好浇注件。逆向工程技术和SLS技术在快速制树脂模制作中的应用，缩短了产品开发的周期，降低了开发成本，为新产品的开发和试制提供了一条有效的途径。

关键词：逆向工程；激光选区烧结；快速模具；环氧树脂模

运用逆向工程技术（Reverse Engineering，RE）是利用各种测量手段及三维几何建模方法，将实物样件或者手工模型转化为计算机三维数字CAD数据模型。RE技术被广泛的应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析等领域，可以缩短产品设计、开发的周期，降低新品开发的成本和风险，特别适合新品开发中单件、小批量产品的制造。[1-2]激光选区烧结技术（Selective Laser Sintering，SLS）技术是快速成型技术（RP）中的一种，通过激光加热可熔融粘接的粉末材料根据可以直接将产品数字模型烧结成实体零件，而快速模具（RT）技术大多采用快速成型技术制作的母模翻制模具主要工作零件（型芯、型腔），制造周期一般是传统方法的1/5～1/10，而成本却仅为传统加工方法的1/3～1/5。[3-5]RE、RP在快速模具技术中的应用，为新产品的开发和试制提供了一种更加快捷、精确和经济途径。

文章，以摩托车后视镜为例，运用逆向工程技术获得了其三维数字模型，用SLS技术制作了母模，再以此母模翻制了型芯和型腔，最后，成功浇注了摩托车后视镜产品。

1 基于逆向工程的3D模型的建立

1.1 数据采集

以摩托车后视镜为实物模型，通过扫描仪获得实物外形数据信息。扫描设备为北京荣创兴业科技发展有限公司的产品VLS-100三维激光扫描仪。数据采集有以下几个步骤：（1）粘接特征标记。由于实物表面数据一般不能通过一次采集获得，需要进行多次扫描，为了方便点云的对齐，需要粘贴标记，用了三个铝薄片作为特征标记，贴在后视镜边缘三处不同的位置。（2）喷涂反差增强剂。物体表面反光，会对扫描激光造成干扰、反射，引起数据缺失或变形，因此需喷涂反差增强剂降低表面反光。（3）固定扫描物体，将摩托车反光镜固定在测试台上。（4）确定扫描边界、开始扫描。根据物体的大小确定扫描边界，然后开始扫描，采集数据。一侧扫描完成后，再扫描物体另一侧。（5）保存数据。扫描完成后，将数据以asc格式保存。

1.2 Imageware曲面重构

通过扫描获得实物的表面数据后，将数据导入Imageware软件，运用该软件对所得点云进行曲面重构。首先，去除各点云数据噪声点。由于空气中粉尘等原因干扰，扫描后会在摄像头和后视镜之间的空间中会出现大量的噪声点，将噪声点框选删除，获得干净的点云数据。其次，将点云对齐、精简。根据实物形状并参考后视镜上所贴的特征标记，将点云对齐，移除参考点及特征标记点云。另外，对点云进行精简，删除重合的点云。最后，对点云进行数据分割和曲面重构。根据后视镜实物外形，猜测正向设计者的设计过程，可以把整个后视镜分成两大部分去处理，后视镜的正面为一部分，背面为另一部分。正面分成五部分，编号为1、2、3、4、5，背面分成五部分，编号为6、7、8、9，10如图1。把整个点云数据分割成十部分，每一部分根据外形的特点采用不同的方法将点云拟合成与实物相符曲面。得到的后视镜数字模型文件以STL格式保存。

2 SLS母模制作

2.1 母模烧结

将后视镜数字模型文件，导入Magic软件进行纠错处理、添加支撑和切片处理，将文件转化为快速成型控制系统接收的CLI格式。然后导入快速成型系统，设置烧结参数如表1，烧结成型后视镜实体，所得成型件是用作翻制模具的母模。

2.2 SLS母模后处理

未经处理的SLS高分子烧结件强度较低，表面粗糙，不能满足使用要求，需要表面清理、渗树脂强化和表面抛光打磨等后处理工序。（1）表面清理。烧结成型结束后，使零件随材料冷却至室温后取出，用毛刷和牙刷清理零件表面未烧结粉末，清理时注意不要损坏烧结件外形。（2）渗树脂增强。用毛刷沾取配好环氧树脂溶液，刷涂烧结件，从烧结件较厚的部分涂起，使烧结件完全被浸透，又要保证表面不留积液。先室温固化6小时，再加热固化8小时。（3）表面抛光打磨。将固化好的后处理烧结件取出，用细砂纸打磨表面，去除后处理件表面积瘤，使后处理件表面光滑，得到翻制模具的母模，如图2所示。

3 环氧树脂模制作

3.1 制作前的准备

3.1.1 模框准备

模框的主要作用是在浇注树脂混合料时防止混合料外溢，可由金属、木材等制作。金属模框在树脂固化后与树脂粘结在一起，成为模具的一部分。在浇注的时候防止浆料外溢，对固化树脂起支撑作用，同时提高了模具的刚度；木材制作的模框，仅仅起防止浆料外溢的作用，最后还要从固化好的模具上脱下来。模框的大小根据模具的要求和母模的大小确定。本试验用的模框是用PS粉料SLS烧结成型，再对其进行渗树脂强化处理，最后打磨所得。

3.1.2 分型面的选择和底座制作

树脂模的浇注一定要选择好分型面。分型面的选择直接影响脱模，如果选择不当，会导致难以脱模甚至脱不出来，所以正确合理的选择分型面非常重要。分型面的选择一般原则为，选在原型截面积最大位置处。为防止原型内腔被树脂混合物充填而导致难以脱模的问题，需要预先封填母模内腔。或者通过底座等将相应的部位堵上。Magic软件能够自动确定分型面，如图3所示。

分型面确定以后，为底座制作提供了参考，底座在浇注树脂模时起两个方面的作用：一是对母模起支撑固定作用。二是保证分型面的生成。底座一般用木头，石膏等制作，但较准确的保证分型面的生成并不容易，安放位置精度也不易保证，所以在本试验中，采用了同模框相同的制作方法和工艺，为了保证上下模闭合的位置精度，增加了两个导柱，如图4所示。

3.1.3 母模、模框和底座的固定

母模、模框、底座的固定也是整个过程的重要一环，首先把母模安置到底座上，检查母模的分型面是否在底座平板上，不在的话，修理底座，直到母模的分型面和底座平板重合，用胶把模框粘到底座上，粘合处要密封，保证浆料不会渗漏出去。然后把脱模剂用毛刷均匀地刷到母模和底座底版上。固定好的母模、模框、底座如图5所示。

3.1.4 环氧树脂浆料的制备

试验材料：300目铝粉，填料，北京浩运工贸有限公司，Al>≥99.0（wt.%）；环氧树脂：302环氧树脂胶 上海万投实业有限公司，配比：Epoxy：Al（质量比）=10：9。在混合之前，为了降低胶液的黏度，把称量好的环氧树脂分成A、B两组，分别放到电热恒温鼓风干燥箱中在80℃恒温10分钟。然后，把金属粉缓缓加入到A、B组份中，边加入边搅拌，当搅拌均匀后，再次把加入金属粉的A、B组份放到电热恒温鼓风干燥箱中在80℃恒温10分钟，取出后放到真空注型机中，快速抽真空，当真空达到-90KPa负压时，把B组份缓缓的倒入A组份中，边倒边搅拌，大约一个小时三十分左右，当混合液中没有气泡出现时且浆料得到一定黏度后，浇注的浆料即准备完毕。

3.2 环氧树脂模的浇注

3.2.1 浇注上、下模

把固定好的母模、模框、底座放到真空注型机的浇注平台上，调整好位置，保证底座水平。然后，把经过真空脱泡的浆料沿着模框壁缓缓地注入到模框中，整个浇注过程在真空环境中进行。

浇注完毕后，取出放到电热恒温鼓风干燥箱中，在100℃温度下固化。待上模固化好后，把底座取下。倒置上模，把下模的模框粘到上模上，同样粘结要牢固，并且粘结处要密封，保证浆料不会渗漏。然后在上模的分型面上均匀，全面地涂刷一层脱模剂，用浇注上模同样的方法浇注下模。

3.2.2 分模、修模

（1）树脂模固化、分模。因为环氧树脂固化时是放热反应，固化后模具尺寸会收缩，把母模包紧，造成脱模困难，所以在脱模之前要把模具整体放到干燥箱中，在90℃加热一段时间，使模具发热膨胀，以便分模取出母模。

（2）修模。取出母模后，对模具不平整的部进行分打磨，对因残留气泡造成的孔洞，用环氧树脂和铝粉制的粘稠浆料修补平整。等修补部分固化好后，用细砂纸打磨光滑，再用丙酮彻底清洗型腔表面，去除表面的油污。

（3）涂刷胶衣。模具修补好后，按比例配制好胶衣树脂，用羊毛刷在模具型腔表面均匀的薄薄刷上一层胶衣，然后放到干燥箱中在80℃恒温1小时，取出模具后再用同样的方法刷上一层胶衣，然后再一次放到干燥箱中，这样少量多次的刷上几层胶衣，然后再用细砂纸轻轻的打磨。涂刷胶衣的目的一是可以获得光滑的模具表面，二可以很好的保护模具表面，图6为做好的环氧树脂模具。

4 浇注试模

简易模具制作好以后，进行浇注试模，检查模具型腔表面的质量，对存在的缺陷进行必要的修正。浇注前在模具的型腔表面均匀地涂上一层脱模剂，然后合模。实验材料为反应性树脂聚氨酯F-31，将按比例配制好的聚氨脂树脂，缓缓地浇注到模具中，为了加速树脂固化，浇注好以后把模具放到恒温干燥箱中。等固化好后，把制件从模具中取出。获得表面质量良好的浇注件如图7所示。

5 结束语

采用后视镜为载体，运用三维扫描获得其三维数字模型，再结合SLS技术烧结出树脂模母模，最后成功翻制出环氧树脂模具。经试验验证此工艺的简易模具能成功浇注出表面良好的树脂件。此工艺在新品开发和产品试制中的应用可以大大缩短产品开发周期，降低成本，并能快速反应市场需求。

参考文献

[1]赵志国.激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展[J].航空制造技术，2014（19）：46-49.

[2]杨文建.快速成形技术在快速模具制造中的相关应用[J].湖南农机，2013，5：56-57.

[3]胡层良.快速成型和快速模具在现代工业中的应用[J].塑料工业，2006，34（2）：66-69.

[4]梁培，徐志锋.快速成形技术在铸造模具制造中的应用[J].模具工业，2010，10：72-76.

[5]杨申波.基于SLS的快速树脂模具技术研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2013：1-4+15-27.

[6]任东风.基于逆向工程和快速成形的环氧树脂模具制造研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2008：23-31.

作者简介：李小城，硕士研究生，讲师，安徽机电职业技术学院。