模具的快速成型及快速制模技术

1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂的零件，不用担心常规加工不能加工的区域；
2）由于它是非接触加工，因此，加；
3）可实现无人值守的完全自动化；
4）加工效率高，能快速制作出产品的实体模型和模具。
图6.1.4是传统加工方式和快速成形制造的工艺流程的对比。
为了综合以上方法的优点，现代CAD系统常采用CSG、B—rep和参量表达法的组合表达法。
（4)单元表达法（Cell Representation）
单元表达法起源于分析（如有限元分析）软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形。在快速成型技术中采用的三角形近似（将三维模型转化成STL格式文件），就是一种单元表达法在三维表面的应用形式。
a)传统加工b)快速成形加工
图6.1.4传统加工与快速成形的工艺流程
6.1.3
由于快速成型要求在加工前，计算机上要有三维的数字化模型，可供切片处理。因此对于快速成形的CAD系统都要求有较强的三维处理能力。三维模型的处理能力主要在两个方面上的应用：三位实体造型（Solid Modeling）和表面造型（Surface Modeling）功能，后者对构造复杂的自由曲面有重要作用。快速成型行业中常用的有如下软件：
1-收纸辊；2-升降工作台；3-加工平面；4-定位装置（切割头）；
5-激光器；6热压辊；7-计算机；8-箔材带；9-展开辊
第
随着生产技术的进步，新材料和先进设备的出现，使市场竞争日趋激烈。各个生产厂家为缩短产品的研发、生产周期，降低生产成本和风险，使得快速成型及快速制模技术在生产中逐步得到了应用。
快速制模技术包括传统的低熔点合金模、电铸模具的制造技术和以快速成型技术（Rapid Prototrping，RP）为基础的快速制模技术。这里介绍后种快速制模技术。
扫描器件有的采用直线单元，适合于大件的加工。也可采用振镜扫描方式。这种方法适合成形大、中型零件，翘曲变形小，成形时间较短，但尺寸精度不高，材料浪费大，且清除废料困难。该方法选用的原材料目前种类较少，尽管可选用若干种类的材料，如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔以及其他合成材料，但目前常用的只是纸，其他材料还在研制开发中。
6.2快速成形加工的方法
6.2.1
此工艺方法也称为液态光敏树脂选择性固化。是一种最早出现的RPT，它的原理如图6.2.1所示。液槽中盛满液态光敏树脂3，它在激光束的照射下快速固化。成形开始时，可升降工作台6使其处于液面下一个很厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层，从而得到该截面轮廓的薄片。然后工作台下降一层的高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此同时新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复到整个产品完成，一般截面层厚度在0.076~0.038mm的范围。工件从料槽中取走后还需进行后固化，在工作台和工件取下后，将多余的树脂用溶剂清洗后，工件放入专门的后固化装置，经过一段时间的曝光处理后，工件才完全固化，而该时间的长短视材料、工件的大小和形状的复杂程度而定，再进行相应的打光、电镀、喷涂、着色等工艺措施。
（2）STEP（Standard for The Exchange of Product ）
这是一种近年来逐步国际标准化的标准，现在已为绝大多数软件供应商所采用。
（3）STL（Stereo Lithography Interface Specification）
它是目前快速成形中最常见的一种文件格式，也为大多数CAD供应商所采用。就像CAE软件中的网格划分，它是将CAD模型离散成若干小三角形的平面组合。该方法对几何体的描述依赖于三角形的划分，通常对于细部特征需要较密的三角形，因而对于微小的细部特征可能描述不到或不清楚，现代快速成形制造中，越来越多的专家学者试图用其他文件甚至专用软件来描述CAD的实物模型，以便于模型前处理：如模型拓扑优化、模型转换、模型的分割合并及模型的切片处理等。
图6.1.2为快速成型制造技术所涉及的主要工艺和设计内容
模型的原件 采集数据电云 产品逆向工程
薄片/层资料
输入
CAD模型（曲面、实体） IGES、STL、CLI等模型文件
形态分类：薄片、颗粒、线、粉末、液体
材料
按材质分类：纸、树脂、尼龙 、塑料、陶瓷
设计
应用 工程与分析 应用行业：航空、航天、汽车、医疗、消费产品
2．快速成型技术中常用的文件格式
(1) IGES/IGS (International Graphics Exchange Standard)
它使最老的一种标准，几乎为所有CAD软件供应商所采用的国际标准数据转换格式。但是，在IGES的发展过程中，出现了下属的分支，而且各个供应商对IGES的标准理解不同，往往会出现各个CAD系统的IGES 文件标准的差异（如IGES128、IGES126等等）。
（3)参量表达法（Parametric Representation）
对于自由曲面，难于用传统的几何基元来进行描述，可用参量表达法。这些方法借助参量化样条、贝塞尔（Bezier）曲线和B样条来描述自由曲面，较好的一种是非均匀有理B样条（NURBS）法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率，能准确地描述几何基元。
4.快速成型的发展阶段
按照快速成型的发展的自动化程度，将其发展划分为三个阶段。
1）手工原型
长达若干年的传统工作与技能积累
原型被当作需要技能的工艺（依据传统，并且需要手工操作）
着重于原型的材料
采用的是“自然的”原型技术
2）虚拟原型
时间上从20世纪70年代中期
原型的复杂程度有所增加
虚拟原型能被用以施加外力，并被复制，可用于精密仪器测试一些特性
3）快速原型（快速成型）
时间上从20世纪80年代中期
特点是依赖于CAD技术的发展
能在短时间内制造出具有强度的原形件
能有助于提升产品的改型、制造、装配等等
6.1.2
与传统的加工方式相比，快速成形在加工周期和成本上都有着无可比拟的优势，它突破了毛坯→切削加工→成品的传统加工模式，不用刀具制造零件，基本上无废料。因此有以下几个优点：
软件名称开发公司
Pro/Engineer PTC
AutocadAutodesk
Unigraphics EDS
Catia IBM
1.三维模型的表达方法
随着计算机的辅助设计（CAD)技术的发展，出现了许多三维模型的表达方法，其中常见的有以下几种：
（1)构造型立体几何表达法（Constructive Solid Geometry，简称CSG法）
加工与制造
单激光光束
光硬化 双激光光束
方法 光罩曝光
剪切与粘结
熔接于固合
黏着
图6.1.2快速成型技术的主要内容
2.快速成型技术的基本原理
快速成型（RP）一般来讲是属于堆积成形，通过离散的区域得到堆积的约束、路径及方法，通过材料叠加堆积而形成三维实体模型。快速成型技术（RPT）将CAD、CAM、CNC、伺服反馈技术、光电子技术、新材料等技术集于一体，依据CAD系统构建的三维模型，进行分层切片处理，得到各层切面的轮廓。得到的轮廓再作为原始加工数据，激光束按照相应的轮廓切割一层一层的粉末材料（或固化的一层一层液态树脂，或一层一层的纸料）。也可以是喷头按照轮廓喷射一层一层的粘结剂或热熔材料（如塑料），从而形成各个切面并逐步累加得到三维模型的产品。它将复杂的三维加工简化成若干二维平面加工的组合。相对于传统产品的加工方式，省了许多工序，给周期和加工成本以很大影响。图6.1.3是成形原理图。
SLA是最早投入商业应用的快速成形技术，相对于其他成形方式成熟，能制造精度较高的工件，一般情况下可控制在0.1mm的范围内。
1-激光发生器；2-成形零；3-光敏树脂；4-液体面；5-刮平器；6-升降台
图6.2.1光固化立体成形工艺原理
这种方法适合成形小件，能直接得到塑料产品，表面粗糙度质量较好，并且由于紫外激光波长短（例如He-Cd激光器，λ=325mm），可以得到很小的聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。缺点是：
快速成型技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造技术已逐步适应。制造业利用这种现代化制造手段与传统制造技术的接轨的工作也进展顺利。有效地结合数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段，使快速成型技术已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段。在航空航天、汽车摩托车、家电、医疗器械等领域得到了广泛应用。
1）需要设计支撑结构，才能确保在成型过程中制件的每一个结构部分都能可靠定位；
2）成形中有物相变化，翘曲变形较大，也可以通过支撑结构加以改善；
3）原材料有污染，可能使皮肤过敏。
6.2.2
叠层实体制造也称薄形材料选择性切割，是近几年才发展起来的一种快速成型技术。展开装置将涂有热熔胶的箔材带（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔）8，经热压辊6加热后，一段段送至工作台上方。激光切割系统，根据三维模型提取的每一个横截面的轮廓，在计算机的控制下，用CO2激光束对工作台上的箔材沿轮廓线切割成所制制件的内外轮廓，制件轮廓以外的区域被切割成小方块，成为废料。在该层切割完成后，工作台下降相当于一个纸厚的高度，然后新的一层纸再平铺在刚成形的面上，通过热压装置将其与已切割的型面粘合在一起，激光束再一次进行新的轮廓切割，以此逐步得到各层截面，并粘结在一起，形成三维产品。其工艺过程原理如图6.2.2所示。该工艺材料的厚度一般0.07~0.15㎜之间，由于激光束只需扫描面轮廓，成形速度较快，制件完成后用聚氨酯喷涂即可。
构造型立体几何表达法用布尔（Boole）运算法则（并、交、减），将一些简单的三维几何基元（如立方体、圆柱体、环、椎体）予以组合，变化成复杂的三维模型实体。
（2)边界表达法（Boundary Representation，简称B—rep）
边界表达法根据顶点、边和面构成的表面来精确的描述三维模型实体。此方法的优点是：能快速的绘制立体或线框模型。缺点是：它的数据是以表格形式出现的，空间占用量大；修改设计不如CSG法简单。