基于RP环境的模具快速制造

【摘要】快速原型技术成形机理和工艺控制与传统成形（如去除成形或受迫成形）方式有很大差别，主要表现在： （1）RP加工不是一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料...

【摘 要】快速原型技术（简称RP）是随信息技术、激光技术和新材料技术发展而出现的一门新型制造技术，与传统模具制造技术相比，它具有制造成本低、开发周期短的特点，因此适用于工程样件和小批量零件的加工制造。本文围绕RP技术的工艺原理和成型方法，分析和介绍了基于rp环境的模具快速制造。RP技术具有广阔的应用前景，加强RP技术推广应用对于新产品开发和降低工装模具有重要意义。

【关键词】RP技术；模具快速制造；工艺原理；成型方法

近20年来，制造业市场环境发生了重大的变化，用户需求的多样化与个性化及国际市场的一体化，使得制造商面临更为激烈的竞争。为此，制造业在不断探求能够快速响应市场的生产模式和技术策略，如并行工程、敏捷制造、高速切削和快速成形等。以RP为技术支撑的快速模具制造也正是为了加快新产品开发周期，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。应用RP技术制造快速模具，在最终生产模具之前进行新产品试制或小批量生产，可大大提高产品开发的一次成功率，有效地缩短开发时间和节约开发费用。

1 快速原型技术

快速原型技术是20世纪80年代后期发展起来的一种高新制造技术，它将现代计算机技术、激光加工技术及新材料技术集于一体，其原理是根据对三维CAD电子模型进行分层切片处理，得到一系列二维截面轮廓，然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料，得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。RP技术摒弃了传统机械加工的“去除”加工法，而采用全新的“增长”加工法，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。

快速原型技术成形机理和工艺控制与传统成形（如去除成形或受迫成形）方式有很大差别，主要表现在：

（1）RP加工不是一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移或堆积；

（2）原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型材料本身，而且与成型中所施加的能量大小及施加方式有密切关系，故在成型工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的动态控制；

（3）在离散、堆积类型的RP中，单元体制造中能量是主动供给的，需要准确地预测与控制，对成形中的能量形式、强度、分布、供给方式以及变化等进行有效地控制，从而经由单元体的制造而完成成型。

快速成型机的控制系统只有接受三维CAD实体模型后，才能进行数据格式转换和分层切片处理。因此，必须先在计算机上用CAD软件构建产品的三维实体模型；或将已有产品的二维工程图样转换成三维CAD模型；或采用反求技术得到三维CAD模型。然后对三维CAD实体模型进行处理。快速原型过程一般都包括CAD模型建立、前处理、原型制作和后处理等4个步骤，其工艺流程如图1所示。

2 快速模具制造分类

快速成型技术在模具制造领域的应用主要是制作一般产品从模具设计到验收需要相当长的一段时间，模具完成后通常都要进行试模修模，其时间要占整个制模时间的20%～30%，使模具制作周期加长、成本加大。对于小批量的生产，模具的费用占的比重很大。因此，短周期、小批量零件制造的最好方法就是利用快速成形技术制造模具。利用快速成形技术制造快速模具可分为直接模具制造与间接模具制造两大类，已有20多种RT工艺在工业生产实际中得到应用，正在接受市场的考验。

（1）直接制模法基于RP技术的快速直接制模法是将模具CAD的结果由RP系统直接制造成型。该法既不需用RP系统制作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具制造而言尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法。直接制造的快速模具尺寸精度高、结构精巧、制造速度快，并且设计灵活，例如流道系统、冷却或加热管路的布置可以更为合理。直接制模材料大多是专用的金属粉末或高、低熔点金属粉末的混合物，也可使用专门的树脂。

（2）间接制模法

在直接制模法尚不成熟的情况下，具有竞争力的快速制模技术主要是间接制模法。间接制模法是利用RP技术制造产品零件原型，以原型作为母模、模芯或制模工具，再与传统的制模工艺相结合，制造出所需模具。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和硬质模具2大类。利用SLS法直接制造金属模具采用该工艺制模，所选用的成型材料一般为涂有聚合物粘接剂的金属粉末，在快速成型机上烧结成形，获得模具原型，由于在烧结过程中材料的收缩率较高，从而难以得到高强度模具，因此经SI另法得到的原型模具必须渗人低熔点金属（如铜）以形成具有较高致密度的模具，这种模具一般用作生产吹塑件的模具，或工作温度低、受力小的注射模具和压铸模。

3 几种快速模具成型方法介绍

（1）喷涂法快速制模。利用RP技术生产出快速原型，将金属（工具钢或合金钢）雾化喷涂到原型表面，生成1～2mm左右的金属硬层，再在金属层外面填充金属珠粒或环氧树脂进行支撑，提高其强度，然后将原型取出即可得到一个精密的模具。采用这种方法制模，成本低，生产周期短，一般用作注射模具。

（2）LOM法制作金属模具技术。在所有的RP工艺中，尤以LOM工艺最为适宜制作实体原型。在大型原型方面，它具有其他RP工艺无法比拟的优势。其工艺过程是以陶瓷、树脂砂型和金属箔为原型基体材料，按CAD层加工信息，用加热辊和激光束逐层加热加压粘贴和切割原型材料，形成逐层轮廊，最终形成模具原型。该工艺可快速制作铝、铜、钢和钢合金等模具零件。

（3）铸造法快速制模。这种方法是利用各种RP工艺生产快速原型，以此原型作模型，通过铸造方法翻制金属模具。原型可采用SIA或SI一法生产的塑料原型，也可用FDM或SI法生产的蜡原型。采用的铸造方法有：熔模铸造、石膏型铸造、消失模铸造以及树脂砂铸造等。采用这种方法制作的模具较以上两种方法，其强度有明显的提高，因此可用于快速批量生产铝、铜、钢质等模具铸件，尤其适于制作大型零件和厚壁零件。

4 结束语

快速原型技术（简称RP）是随信息技术、激光技术和新材料技术发展而出现的一门新型制造技术，它解决了传统模具制造中出现了诸多复杂问题，实现了最终产品和零件的快速制造。虽然RP技术在成本控制和开发周期方面具有较大优势，但由于该技术形成和发展的时间不是很长（大约30余年），加工制造出来的产品难免会在精度、强度、耐用性等方面存在缺陷或瑕疵，此外，该技术不适合大型模具的快速成型，是制约RP技术的推广应用的根本原因之一。国内外学者和专家正在不断尝试采用新方法，试图冲破目前技术所存在的局限性，相信不久的将来，RP技术必定会成为制造技术的主流。在国际市场竞争激烈的今天，面对新产品开发能力疲软的国内环境，笔者认为唯有通过思想观念上的不断更新和技术上的不断突破，才能使我国的加工制造业在国际竞争中立于不败之地。

参考文献：

[1]袁根华. RE与RP技术在模具行业中的应用[J].模具制造，2011（10）.

[2]张勇，卢秉恒.采用RP技术的玻璃模具的快速制造[J].现代制造工程，2012（08）.

[3]张汪年，邓宁，鞠银燕.快速成型技术及其在模具制造中的应用[J].九江学院学报（自然科学版），2010（03）.

作者简介：

王瑞，男，1989年6月出生，安徽蚌埠人，本科学历，工作于安徽淮南凯盛重工有限公司，助理工程师，从事机械加工制造工艺。