注塑模具先进设计和制造技术概况

注塑模具先进设计与制造技术概述

蒋仕元1，汤文灿2，刘斌2

（东莞钜升塑胶电子制品有限公司1

华南理工大学机械与汽车工程学院2）

摘要：随着工业产品不断向多样化和高性能化发展，精密注塑制造在模具行业中的比例越来越高，传统的

注塑模具制造技术已经与时代的发展不相适应，为了提高精密注塑模具行业的竞争力，各种先进的制造方

法和制造技术日益涌现，并在注塑行业中得到了推广和发展。本文着重介绍模具CAD／CAE／CAM技术、快速成形技术、模具工业的逆向工程等加工技术。

关键词：模具CAD／CAE／CAM；快速成形技术；逆向工程

0引言

作为开启工业现代化的金钥匙，注塑模具是实现塑料产品批量生产和塑料新产品研发所不可缺少的工具。没有高水平的模具，就不会有高水平、高质量的塑料工业产品，注塑模具的重要性不言而喻，而高精度高水平的注塑模具又与先进的加工技术密不可分。

1注塑模具软件正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展

注塑模具CAD／CAE／CAM为注塑模具制造方式带来了历史性变革，是一项集高科技、高效益的系统工程。现今注塑模具CAD/CAM/CAE[1]、人工智能[2]与成形工艺的结合已成为主流，是获取最佳的模具设计、工艺方案和最少的试模时间的重要技术手段；再加上柔性制造系统的广泛应用和先进制造技术的飞速发展，特别是并行工程、智能制造技术、计算机集成制造技术的发展，促使注塑模具CAD／CAE／CAM向三维化、集成化和智能化方向发展。

1.1 注塑模具CAD／CAE／CAM功能集成化

注塑模具的CAD／CAE／CAM技术已发展成为一项比较成熟的技术，通过对模具的设计、分析和制造过程进行统一管理，大大提高了模具制造的效率和精度。现阶段，由于硬件和软件的价格也已降到中小企业普遍可以接受的程度，再加上微机的普及和应用及微机版软件的推出，模具行业中使用CAD／CAE／CAM已经得到普及对模具软件的功能模块已经比较完整，而且技术在日新月异。

通过对产品模型的统一、数据库统一等手段，建立PDM系统平台，使得信息、过程、功能和数据的高度集成，从而实现了不断迭代的设计开发过程。如英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面／实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统及复杂形体在线测量系统等。美国Solidworks公司的Solidworks软件、C-mold公司的注塑模CAE分析软件C-mold等等。1.2注塑模具CAD／CAE／CAM的三维化

注塑模具企业在应用PDM系统的基础上，结合三维实体设计技术，能避免很多实际投产后才能发现的问题。真正意义上的三维实体设计，包括三维参数化的零件库、注塑设备库、典型结构库、基础结构库等模块，并通过与3D-DL图技术、实体泡沫实体加工技术的结合，对产品的整体结构、运动模拟、制造干涉等数字化分析，从而实现模具制造的CAE/CAD/CAM一体化。如图1所示为注塑模具的三维化设计制造。

如Pro／E、UG和CArllA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。另外，Cimatran公司的MoldeXpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E／mold均是3D专业注射模设计软件，可进行交互式3D型腔、型芯设计、模

架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldnow公司的三维真实感流动模拟软件MoldnowAdvisers已经受到用户广泛的好评和应用。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。

图1 注塑模具的三维化设计制造

1.3注塑模具CAD／CAE／CAM的智能化

在传统的注塑模具制造企业中，模具的设计和生产制造与工人的经验和技术熟练程度息息相关，对工人依赖性高，为了有效解决该问题，知识工程KBE[2-4]（Knowledge Based Engineering）技术因运而生。知识工程的本质就是知识的再利用，即对产品各个开发和设计阶段对有效的实践经验、专家知识和其他信息进行储存调用的过程。它是一种存储并处理与产品模型有关的知识，且基于产品模型的计算机软件系统。图2所示为注塑模具知识工程结构库。

图2 注塑模具知识工程结构库

其中，KBE技术有以下优势：

（1）有助于提高传统注塑模具行业的竞争力和创新能力，通过效地组织和管理公共知识库体系，使之成为推动相关技术发展的强大动力。

（2）基于以信息化带动相关技术发展的战略，实施KBE技术，将建立相关企业、研究机构有效整理、继承、运用和形成知识资产的方法，为知识积累和创新能力的提高提供了有效的技术保证。

（3）KBE技术体现了大量专家数据的高效集成，充分模拟专家解决问题的思路，使复杂工程问题的求解方法更有效。

但从国内的实际情况看，KBE采用的人工神经网络的理论、方法与技术在整个制造领域的应用与开发，仍然处于初步阶段。这表现在：

(1)从内容看，绝大多数的研究和应用主要集中在前馈网络和BP算法上。主要的目的则在于拟和一种静态的、多变量的、非线性的映射关系，以满足预报和模式识别的需要。而对于其它类型的网络，如Hopfield网络，SOM网络等，则研究和应用的较少。

(2)从深度上看，神经网络的应用还停留在某些经验关系的拟和上，工作局限于计算机仿真，缺乏必要的实验验证。并未充分发挥人工神经网络在模型和建模方法的特长。

(3)目前神经网络在制造业中的应用研究比较成功的情况基本上只局限于少数关于工况监测和故障诊断的项目，其余研究则基本上还处于实验阶段，距工业实用相距甚远。

2 逆向工程技术（RE）

逆向工程(Reverse Engineering)是指从产品实体上得到测量数据，根据数据通过三维建模方法重构CAD模型的过程，也就是利用反求技术对样件进行复制的技术。其原理如图7.

图7 逆向工程技术原理

市场上利用一些三维逆向设计软件(如：UG、Pro／E、CATIA)和一些专业的三维逆向设计软件(如：lmageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm)进行逆向造型是现阶段反求工程在企业应用的典型例子。

逆向工程的研究已经日益引人注目。在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、专业软件和坐标测量机的开发上已经取得很大的成绩。但是在实际应用当中。整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证。3D扫描技术、逆向工程软件的开发、特征提耵曲面重构技术将是逆向工程主要的发展方向。

3 同步建模技术

由Siemens PLM Software推出的同步建模技术在交互式三维实体建模中是一个成熟的、突破性的飞跃。新技术在参数化、基于历史记录建模的基础上前进了一大步，同时与先前技术共存。同步建模技术实时检查产品模型当前的几何条件，并且将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并在一起，以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，无需重复全部历史记录。

同步建模技术有以下优势：

（1）快速捕捉设计意图：同步建模技术能够快速地在用户思考创意的时候就将其捕捉下来，使设计速度提高100 倍。有了这些新技术，设计人员能够有效地进行尺寸驱动的直接建模，而不用像先前一样必须考虑相关性及约束等情况，因而可以花更多的时间用来进行

创新。在创建或编辑时，这项技术能自己定义选择的尺寸，参数和设计规则，而不需要一个经过排序的历史记录。

（2）快速进行设计变更：该技术可以在几秒钟内自动完成预先设定好的或未作设定设计变更，而以前则需要几个小时，编辑的简单程度前所未有－不管设计源自何处，也不管是否存在历史树。

（3）提高多CAD环境下的数据重用率：该技术允许用户重用来自其它CAD系统的数据，无需重新建模。用户通过一个快速、灵活的系统，能够以相比原始系统更快的速度编辑其它CAD系统的数据，并且编辑方法与采用何种设计方法无关。因此，用户可以在一个多CAD环境中进行成功应用。通过一个名为“提示选择”的技术，可以自动归纳各种设计要素的功能，而无需任何特征或约束的定义。这样，就提高了设计重用率和原始设备制造商（OEM）/供应商的效率。

（4）降低操作复杂性：该技术提供了一种新的用户互操作体验，它可以简化CAD，使三维变得与二维一样易用。这一互操作性将过去独立的二维和三维环境结合在一起，它兼具了成熟三维建模器的稳定耐用性以及二维的易用性。新的推理技术可以自动根据鼠标位置归纳常见约束，并执行典型的命令。因此，对于不常使用的用户而言，这些设计工具非常易学易用，推动下游的应用进入制造和车间级别。

4 注塑产品的快速成形技术

快速成型技术[5-6](Rapid Prototyping Technology，简称RPT )应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在注塑模具制造行业也得到了越来越广泛的应用。众所周知，一套注塑模具的开发成本高，在传统制造工艺中，第一版模具也就是手板的开模十分重要，关系到最终的量产产品形态。但是需要花费一周左右时间，这对于把握市场商机来说显然存在不足，此外，传统开模风险也较大，包括成本、和市场等。

快速成型技术提供了有效的新产品开发的设计验证和模拟样品的试制的可行性，即完成从产品的概念设计→造型设计→结构设计→基本功能评估→模拟样件试制这段开发过程。其基本过程如下：首先由CAD三维造型软件生成产品的三维CAD曲面或实体模型，然后将CAD数据模型转化成三角形面化模型，它是一种快速成形技术所能接受的输入数据模型，再利用切片软件，将所表述的正确的三维实体数据模型生成一层一层的截面轮廓信息并进行分层制造，层层叠加，最后形成产品的三维原型。其基本流程图如图2所示。

图2 快速成形的基本过程

目前应用较多的快速成型技术有立体光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、熔积成型(FDM)等。这些工艺方法都是在材料累加成型的原理基础上，结合材料的物理化学特性和先进的工艺方法而形成的，它与其他学科的发展密切相关。

4.1 立体光固化(SLA)

该方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。其工艺过程是，首先借助CAD软件设计出三维实体几何模型，将模型进行切片处理后设计扫描路径，形成数据文件控制激光器和工作台的运动，激光器获得路径的命令信息，对光敏树脂

和金属材料进行轮廓形状和内部形状进行扫射，使其一层层固化成型。具有加工精度高，表面质量好．原材料的利用率接近100％，能制造形状复杂、精细的零件，效率高等特点，在注塑模具中复杂零件得到了很好的推广。图3为立体光固化制造技术图。

美国3D Systems公司研究的Quick Casting工艺，利用立体光刻(SLA)工艺获得模具的半中空RP原型，然后在原型的外表面挂浆，得到一定厚度和粒度的陶瓷壳层，紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉SLA半中空原型，得到中空的陶瓷型壳，即可用于精密铸造。浇铸后进行必要的机加工，得到达到精度要求的金属模具。3D Keltool工艺，首先用SLA 原型翻制出硅胶模作为中间转换模，然后将混有树脂粘结剂的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后取出得到模具生坯件，通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构的模具熟坯件，最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度，通过简单机加工进一步保证模具的精度(可达0。04mm)，即得Keltool模具。SLA技术主要适合产品外型评估，概念模型的原型制造及制造熔模铸造中的模样。

在国内，清华大学采用SLA技术成型了白塔注塑模型腔部分，配合标准模架，完成了一整套白塔注塑模具。

图3 立体光固化制造技术

4.2 分层实体制造(LOM)

LOM工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓．然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起。激光束再次切割．这样反复逐层切割-粘合-切割，直至整个零件模型制作完成，其原理如图4所示。

图4 分层实体制造原理

在注塑用快速模具应用方面，其基本原理是首先利用LOM技术制作的纸质快速原型件，通过不同的模具翻制技术制作出硅胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等快速模具，然后根据模具情况进行热注塑或反应式注塑，得到生产或试制用的塑料零件。

目前研究LOM工艺的有Helisys公司、华中科技大学、清华大学、Kira公司等。

4.3 选择性激光烧结(SLS)

如图5所示，与SLA原理相似，SLS技术利用离散技术对CAD实体3D模型进行切片，得到有序离散片层，同时在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末，激光器根据片层的数据在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结．一层完成后再进行下一层烧结，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，全部烧结完后去掉多余的粉末再进行打磨、烘干等处理便获得零件。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于注塑模具原型及功能零件的制造。

该技术有以下特点：

（1）该技术突破了传统加工方法去除成型的概念，采用添加材料的方法成型零件，不存在材料去除的浪费问题；

（2）成型过程不受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合于单件小批量产品尤其注塑模具内部重复性零件。

美国3D Systems公司采用将金属粉末和有机黏结剂相混合后的粉末烧结技术，同DTM 公司联合开发的Laserform ST镍铬钢覆聚合物粉末，制成的注射模，其寿命可达5 万件以上；用Rapidsteel不锈钢覆聚合物粉末，制成的注射模热传导性好，硬度、韧性和耐磨性与传统的工具钢模具相当，寿命已达到10万件以上。

国内清华大学、华中科技大学、上海交通大学、华南理工大学、深圳大学都对基于SLS 的注塑模具有比较完整的研究，如注塑模具的随形冷却水路的快速成型就是基于SLS技术。

图5 选择性激光烧结技术

4.4 镭射造型复合加工技术

金属粉末镭射造型复合加工技术把金属粉末选择性镭射熔化（SLM）的叠层造型工艺和传统的高速切削加工工艺融为一体，是叠层造型和去除加工的相反方向加工手法的复合化，

计算机软件技术、综合集成了材料技术、数控加工技术和镭射技术。其工艺原理如图6所示。

图6 镭射造型复合加工技术

在现代的精密注塑模具，模具内部往往有异型水路和良好排气功能等要求，如图7所示。但表面形状复杂、用传统的方法难以保证加工精度甚至无法加工，而镭射造型复合加工技术既具有高度的柔性，又具有足够的加工精度。

图7 注塑模具的内部复杂水路

4.5 3D打印工艺（3D-P）

注塑模具的3D打印技术就是采用金属粉末成形为注塑模具零件或首版的过程，粉末不是通过烧结粘结起来，而是通过喷头的用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末之上，由于粘结剂的粘度较低，必须进行后处理，最后在高温下渗入金属，使其组织致密化。图8为3D打印技术的技术原理图。

图8 3D打印技术的技术原理

5 结语:

注塑模具设计与加工技术既是先进制造技术的重要组成部分，又是先进制造技术的重要

应用领域。注塑模具先进加工技术使模具制造业不断吸取信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于模具产品设计、加工、检验、管理、销售、使用、服务乃至回收的注塑模具制造全过程，以实现优质、高效、低耗和灵活生产，提高在多变的市场中的适应能力和竞争能力的模具制造技术的总称。为了适应用户对注塑模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求，模具工业正广泛应用现代先进设计和制造技术来加速模具工业的技术进步。

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