基于RP的快速模具制造技术研究

太原理工大学硕士学位论文基于RP的快速模具制造技术研究姓名：张昌明申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：冯晓宁;王铁20060501查堕望三盔堂堡主堑塞笙堂堡垒壅作台下降，在上一层的基础上再铺上另一层树脂，导轨带动刮板运动刮平树脂，然后光源再纵横向扫描固化树脂，新固化的一层就牢固地粘接在先前固化的一层上，如此重复直到整个原型成形完毕。

图２—２为ＳＬＡ工作原理图。

为降低成本，美国和日本研制采用紫外光光源取代激光光源。

如果将陶瓷粉或金属粉加入到液态树脂中，固化出原型，高温烧掉树脂聚合物后，就可以得到陶瓷或金属制件，这也是目前前沿研究的内容之一‘１３］肇图２—２ＳＬＡ原理工艺图Ｆｉｇ２－２ＳＬＡｐｒｉｎｃｉｐｌｅｔｅｃｈｎｉｃｓ图２—３ＦＤＭ成型原理图Ｆｉｇ２－３ＦＤＭｍｏｌｄｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ２１．２２熔融沉积造型技术ＦＤＭ（ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅＩｉｎｇ）在计算机的控制下，加热喷头根据截面轮廓的信息，作平面运动和高度方向运动，加热熔化的丝材（如塑料丝、尼龙等）就被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓，一层完成后进行下一层的涂覆，循环得到三维产品。

图２—３为ＦＤＭ成型原理图。

按照它的成形机理，理论上任何可熔化的材料都可用。

目前使用的是蜡、尼龙、塑料等材料，人们现在在研究将金属和陶瓷等材料应用到这种方法中，用陶瓷或金属粉末（不锈钢、黄铜、铝、铁等）分别加上聚合物粘接剂，成型后高温烧掉聚合物，就可Ｒ太原理工大学硕士研究生学位论文此造型机是一种配套的专业化实体造型解决方案，可制作彩色部件并以此与他人进行交流。

除此之外，此造型机还具有快捷、便利和操作简单等特点，使得以加速设计过程，使产品先于竞争对手投放市场。

速度在产品的设计和生产过程中是最值得关注的要素。

ＺＣｏｒｐ公司的三维造型机～般只需Ｉ一２个小时就可完成原型部件制作，因此有利于及时得到反馈并据此作出决策。

过程速度的提高使得在产品设计和销售方面取得更大的竞争优势。

同时彩色成型系统可为工程技术人员的设计过程提供一个更明朗的窗口。

颜色可传达有关部件的重要信息，包括工程数据、标签、突显文字和外观仿真等。

这一功能为设计人员提供了在整个设计过程中更有效地发挥其创造力和合作精神所需的数据。

共有３种三维打印机。

Ｉ）ＺＰｒｊｎｔｅｒ３１０系统ｚＰｒｉｎｔｅｒ３１０系统可在几个小时之内直接从计算机数据创建实体模型。

该系统作业速度快、通用性强而且操作简单，允许工程师创建多种概念模型和功能测试部件，不仅快捷而且成本低，图２—７为３１０系统。

图２—７Ｚｐｒｉｎｔｅｒ３１０系统图２—８ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０系统Ｆｉｇ２－７Ｚｐｒｉｎｔｅｒ３１０ｓｙｓｔｅｍＦｉ９２－８ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０ｓｙｓｔｅｍ２）ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０系统ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０全彩色系统具有高清晰度、全彩色成型快捷和成本低的特点。

超级喷墨成型技术使用完美的功能、更佳的精确度以及逼真的色彩创建部件，使得设计人员可以制作并评估已接近完成状态设计概念的实体模型。

快捷的高清晰度三维成型模型接近实际的样品。

这种独特的２４位颜色、三维成型制作的彩色模型能精确地反映最初的设计数据。

彩色模型比其他类型的样品更有利于进行信息交流，使设计人员在产品开发战略中抢占先机，如图２—８所示为５１０系统。

３）Ｚ８１０系统ｚ８１０系统是一种可为设计审核、造型仿真、密实度测试和铸造造型创建外观原型的最快捷及最便宜的途径。

系统大的作业能力使设计人员得以制作实际大小的概念模型，１１奎堕墨三盔兰堡主堕壅竺堂垡笙茎有利于更有效地与营销人员、生产人员、客户和供应商等进行交流。

Ｚ８１０系统的颜色功能可准确地体现设计理念以及ＦＥＡ和其他工程数据，有助于进一步加强交流。

实体模型可采用石膏或淀粉基材料制作，也可通过渗透处理以制作多属性材料部件，因此可满足广泛的造型需要，图２—９为８１０系统。

表２—１列出了这三种三维打印机的性能指标对比。

…。

图２—９Ｚ８１０系统Ｆｉｇ２－９Ｚ８１０ｓｙｓｔｅｍ表２—１规格比较Ｔａｂｌｅ２－１ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎＺＰｒｉｎｔｅｒ３１０ＺＰｒｉｎｔｅｒ５１０成型ＺＰｒｉｎｔｅｒ８１０成型机系统机作业能力２０３Ｘ２５４Ｘ１０９毫米２５ｘ３５６ｘ２０３毫米５０Ｘ６００ｘ４００毫米层厚０．０８９一Ｏ．２０３毫米０．０８９一Ｏ２０３毫米０．０８９—０．２０３毫米彩色否彩色彩色机身尺寸７４Ｘ８１ｘ１０９毫米１０７ｘ７９Ｘ１２７毫米２４１ｘｌ１４ｘ１９３毫米机身净重１１３公斤２０４公斤５６５公斤打印文件格ＳＴＬＳＴＬ．ＶＲＭＬ．ＰＬＹ和ＳＴＬ，ＶＲＭＬ，ＰＬＹ和ＳＦＸ乩ＳＦＸｌ材料选项高性能复合材料、弹性高性能复合材料、高性能复合材料、弹性伸缩材料、直接铸造材直接铸造材料伸缩材料、直接铸造材料、熔模铸造材料料、熔模铸造材料三维打印机特点”…：１）速度快：Ｚｃｏｒｐ系统是世界上速度最快的三维成型机，几秒钟就可以打印一层，因此，完成一个手持式部件的成型作业任务只需１—２小时。

２）彩色：ＺＣｏｒｐ公司的ＺＰｒｉｎｔｅｒ５１０和ＺＰｒＪｎｔｅｒ８１０三维成型机可使用全色２４位１２太原理工大学硕士研究生学位论文图２～ｌ５ＺＣＡＳＴ铸造技术Ｆｉｇ２－１５ＺＣＡＳＴｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ图２—１６ＺＣＡＳＴ铸件及模具Ｆｉｇ２－１６ＺＣＡＳＴｃａｓｔｉｎｇａｎｄｔｏｏｌＺＣａｓｔｒＭｌ拘技术提供了一项很有前景的技术：一种高速而且低消耗铝及其他非铁金属铸造技术。

这种叫做“ＺＣａｓｔ”的技术已经被证明在业界标准之内保持了高精度和围墙厚度，当然也拥有惊人的速度和低花费。

一般情况下１２个小时之内它能从数据到浇注铝件，而只需花费几百美元的材料费。

这种ＺＣａｓｔ金属直接浇注方法包括３Ｄ打印成模或者嵌入成模，然后在这些打印出来的模子中直接浇注金属。

ＺＣｏｒｐ公司同其客户共同发展了三项快速制模浇注技术，这三种方法是：１ｊ直接浇注法２４太原理工大学硕士研究生学位论文图２—１７直接浇注模具图Ｆｉｇ２—１７ｄｉｒｅｃｔｃａｓｔｍｏｕｌｄ如图２～１７所示，直接浇注法包括设计空腔，核心，气孔，并通过三维打印直接把它们一并制成模子：整个模子的组合件被打印出来，晾干，直接用这个模子来进行浇注。

这种方法包括简单的５个步骤：第一步：用３ＤＣＡＤ设计模子，包括气孔第二步：用任何一款ｚ公司三维打印机，用ＺＣａｓｔ粉末来成型模子第三步：晾干并组合模子第四步：浇注金属第五步：拆模并用通常手段来去掉火花，完成注模同时，Ｚｃａｓｔ直接制模技术能够铸造出传统砂模铸造根本无法铸出来的铸件，如图２一１８所示。

图２一Ｉ８复杂零件Ｆｉｇ２－１８ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐａｒｔ如果不用近似形体方法这个部件将很难被铸造出来。

它的几何形状使得设置分模线和内核几乎都是不可能的。

制作的模具如图２—１９所示。

２５图２一１９制作的模具Ｆｉｇ２－１９ｐｒｉｎｔｅｄｔｏｏｌ第一步：使用ＺＣａｓｔ粉末，用ＺＣｏｒｐ公司三维打印机打印成型模具，把模具经过一定时间和温度的烘烤，使得模具的强度达到最大值。

图２—２０浇铸后取出铸件Ｆｉｇ２－２０ｃａｓｔｉｎｇａｆｔｅｒｍｏｕｌｄｉｎｇ第二步：浇注金属，开模并去除多余的融热材料和气孔，取出铸件。

２）壳型铸法第二种方法叫做壳型铸法，包含设计、打印并通过嵌入模型同传统的翻砂工具相结合来制造模子。

这一步典型过程包括像传统工艺那样将嵌入模放置在空气中，撒砂并设置气孑Ｌ，进行通风。

这些嵌入模子的壳一般ｌｃｍ厚，能够提供坚固性，足够的结实性和气体渗透性。

同直接浇注法相比，这种方法需要更多的步骤，但是在注模方面拥有更好的性价比，并且和传统翻砂铸模很好的结合在一起。

这些步骤包括：２６图２—２１壳型铸法Ｆｉｇ２－２１ｄｉｒｅｃｔｓｈｅｌｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｓｔｉｎｇ第一步：用３ＤＣＡＤ设计模壳和分模线。

第二步：用ＺＰｒｉｎｔｅｒ打印铸模壳。

第三步：用传统翻砂铸模方法制造模型，并在ＺＣａｓｔ模壳上打透气气孔。

第四步：用ＺＣａｓｔ粉末来制作模子的核心。

第五步：把模子和ＺＣａｓｔ核心组合起来。

第六步：浇注金属。

第七步：拆模并用传统方法来去除火花，完成铸模。

壳型铸法有一些优点，因为基本分模线和内核都是通过３ＤＣＡＤ来完成的，所以任何几何形体都可以做到。

进程中采用翻砂铸模的部分很方便。

耐加工性和表面处理情况和砂模铸造效果相同。

３）产品意向铸造法产品意向铸造法是先用ＺＣｏｒｐ公司打印机打印出模型，再结合ＺＣａｓｔ制造的内核用传统方法制造出砂型模来。

详细过程是：第一步：通过３ＤＣＡＤ软件设计模型。

第二步：用ＺＣｏｒｐ公司三维打印机打印这个模型。

通过快速成型往往比传统制模方法更快，性价比更高。

２７太原理工大学硕士研究生学位论文图２—２２打印模型Ｆｉｇ２－２２ｐｒｉｎｔｉｎｇｍｏｄｅｌ第三步：渗透模型，用环氧材料来填充模型，让它更加结实，能够适用于更广泛的用途。

图２－２３渗透模型Ｆｉｇ２－２３ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｍｏｄｅｌ第四步：在铸模台上装配模型和加工气孔，浇铸出砂型模并去除掉模型。

图２－２４加工气孔ａｉｒｖｅｎｔＦｉｇ２－２４ｒｏａｃｈｉｎｇ第五步：用ＺＣａｓｔ粉末打印出模型的内核（当需要的话）。

太原理工大学硕士研究生学位论文图２－２５打印内核Ｆｉｇ２－２５ｐｒｉｎｔｉｎｇｉｎｎｅｒｍｏｄｅ第六步：将模子和ＺＣａｓｔ内核结合到一起。

第七步：浇注金属。

图２—２６结合模子和内核Ｆｉｇ２－２６ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｔｏｏｌ图２－２７浇注金属液Ｆｉｇ２－２７ｃａｓｔｉｎｇｍｅｔａｌ第八步：拆模并用传统方法来去除火花，完成铸模。

，ｑ太原理工大学硕士研究生学位论文图２－２８拆模Ｆｉｇ２－２８ｄｅｐａｒｔｉｎｇｔｏｏｌ３）ＤＳＰＣ工艺美国ＳＯＬＩＧＥＮ公司的ＤＳＰＣ（Ｄｉｒｅｃｔｓｈｅｌｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｓｔｉｎｇ）足使用陶瓷粉末，用喷头在需要粘结的地方喷出粘结剂，将该层成型，成型后的成品需经过烧结处理。

烧结后的陶壳可以用来作精密铸造，可省去在传统精密铸造中沾浆、淋砂的步骤。

这种设备可用以快速生成金属类成品，节省脱蜡铸造程序中制作蜡型的时间。

２．３４．３直接快速模具与间接快速模具技术的比较直接快速模具制造指的是利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。

目前能够直接制造金属模具的ＲＰ工艺包括激光选区烧结（ＳＬＳ）、三维打印（３Ｄ—Ｐ）、形状沉积制造（ＳＤＭ）和三维焊接（３Ｄ—Ｗｅｌｄｉｎｇ）等。

尽管直接快速模具制造具有其独特的优点：制造环节简单，能够较充分地发挥ＲＰ技术的优势，特别是与计算机技术密切结合，快速完成模具制造，对于那些需要复杂形状的内流道冷却的模具与零件，采用直接ＲＴ有着其他方法不能代替的独特优势。