快速成型技術在《模具制造工藝學》中應用*

張汪年，鄧　寧，梁偉杰，王新海，康　輝

(九江學院機械與材料工程學院，江西九江 332005)

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快速成型技術在《模具制造工藝學》中應用*

張汪年，鄧寧，梁偉杰，王新海，康輝

(九江學院機械與材料工程學院，江西九江 332005)

摘要：介紹了快速成型技術(RP)成型原理及其工藝過程，并結合《模具制造工藝學》的實驗中應用。快速成型技術是建立在數控技術、計算機技術、激光技術和新材料技術發展起來的一門先進的科學，在新產品開發及模具成型中具有重要應用。

關鍵詞：快速成型，RP技術，數控技術，激光技術

快速成型技術(Rapid Prototyping，簡稱RP技術)是20世紀80年代迅速發展起來的一種先進制造技術[1]，該技術不同于傳統加工方法，它結合了計算機技術、數控技術、激光技術以及新材料技術。采用疊加原理，不同于傳統的切削就可以制造出任意復雜形狀和結構三維零件。

1快速成型技術原理

傳統加工方法是采用切削法來加工零件，在加工時，以減小零件的質量和尺寸來達到成型的目的，我們稱之為除去法。而快速成型技術采用原理為疊加法，先利用計算機上設計出零件的三維模型圖形，經過表面三角化處理，并對圖形進行分層處理，得到每一層的二維輪廓信息，再按照這些輪廓信息加工出每一層的圖形輪廓，然后把加工好的每一層逐漸進行疊加，最后得到整個三維圖形。其加工原理如圖1所示。

圖1　快速成型過程

快速成型按照其過程大致可分為三個步驟：首先是前處理，其次為中處理以及后處理階段。第一個過程主要是建立CAD模型以及切片過程，中處理階段主要是層片和層片的疊加過程，也是整個加工過程的關鍵，相對與其他兩個過程，加工時間長，工藝相對復雜。后處理過程是對加工好的零件進行再次修正。

2快速成型工藝

2.1　光固化成型工藝

光固化成型工藝裝置如圖2所示，工藝設備有樹脂槽、升降臺、托板、刮板以及激光掃描儀。在加工時，托板距離樹脂上表面為一個間距距離，激光掃描儀從左到右掃描一次，使光敏感樹脂產生聚合反應，一層加工完成。托板向下運行一個步距，使加工好的層面上覆蓋一層液體樹脂，激光再掃描一次，使液體樹脂固化并和第一層疊加在一起。依次逐漸加工好整個零件。

圖2　光固化成型工藝裝置

光固化成型法工藝過程簡單，易于成型。但加工出來的零件是樹脂材料，且環境污染嚴重。

2.2　疊層實體制造工藝

疊層實體制造工藝法又稱薄形材料選擇性切割法，裝置原理圖見圖3。它的設備有供紙卷、收紙卷、升降臺、熱壓輥、激光切割儀、計算機等。在加工時，供紙卷供給一層涂有單面熱溶膠的紙片到工作臺上，激光儀按照計算機給出的信息選擇性切割紙片，然后熱壓輥將切割下來的紙片壓在先前加工好的層片上，一層加工完成。升降臺下降一個層面，然后從復第一層的過程，直至加工出整個的零件。

圖3　疊層實體制造工藝裝置

疊層實體制造工藝過程簡單，成本低廉，零件耐腐蝕。但只能制造紙質零件，由于層與層之間是靠熱溶膠來連接，所以制造的零件強度低。再制造過程中很容易發生火災。

2.3　熔融沉積工藝

熔融沉積工藝又稱為絲狀材料選擇性熔覆法。它的制造過程和蛋糕房生產蛋糕相似。原材料為熱塑性材料，經供絲機構運送到熱噴頭中，加熱到熔融態。經過熱噴頭加熱擠壓成絲狀，再按照計算機給出的輪廓，有選擇的在工作臺上凝固。當一層加工好后，工作臺下降一個步距，來加工下一層面。如此疊加，最后形成整個的三維零件。

熔融沉積工藝也只能加工塑性材料，對材料的要求是其熔點很低，但粘度適中，粘度過大不容易擠出。粘度過小，在成型時容易流動，不好控制形狀。

2.4　粉末材料選擇性激光燒結法

粉末材料選擇性激光燒結法是快速成型方法中唯一的可以加工金屬材料的方法。其設備有粉末破碎設備、激光掃描儀、保護氣體、升降臺、鋪粉滾筒、噴吐裝置等。在加工前，先用破碎設備將要加工的材料破碎成細小的粉末，然后裝在噴頭中，其中有保護氣體防止氧化。經過噴頭噴射出去，鋪粉滾筒滾壓一次，將粉末鋪設均勻，然后激光儀按照計算機給出的信息對粉末進行加入，使之達到熔點以上熔化并相互發生黏結，形成一層固體輪廓，未經燒結的粉末仍然以粉末的形態留在原處。第一層加工好后，升降臺下降一個步距，再次進行加工下一層，最后得到整個的零件。加工好后還要經過10h左右時間冷卻，就可以從粉末中取出零件。原理裝置見圖4。

圖4　粉末選擇性激光燒結原理

粉末材料選擇性激光燒結法可以制備金屬和塑料零件，該方法相對于傳統的切削法不需要考慮金屬的高硬度和高強度等缺陷。成型過程簡單，但制備粉末難度較大，且加熱的溫度高，對設備的耐熱性提出相應的要求。

3快速成型技術在《模具制造工藝學》中應用

快速成型技術相對與機械加工方法，過程簡單，制造成本低廉，節省材料。使之在很多制造行業產生巨大的應用。

《模具制造工藝學》課程復雜，實驗內容繁多，且實驗設備昂貴，傳統的一套模具，價格昂貴，制造周期漫長，且過程復雜，在制造過程中，一旦有一步發生錯誤，將導致整個零件報廢，故在一般的大學由于資金不足，設備有限，很多實驗不能進行。如果能把快速成型技術應用到《模具制造工藝學》課程實驗中，竟能節約大量的資金問題，又能開辟新的制造方法，對學生的知識面有很大幫助作用。

快速成型技術制造模具一般可分為直接法和間接法。直接制造是直接采用快速成型技術制造模具，可以用光固化成型工藝、疊層實體制造工藝、熔融沉積工藝法來制備塑料模具，也可以利用粉末材料選擇性激光燒結法制造金屬模具。直接法由于大部分制備的是塑料模具，故使用性差，應用比較少。

到目前為止，基于快速成型技術快速制造模具的方法多為間接法。間接法是利用RP原型間接地翻制模具，其首先利用快速成型技術制造硅橡膠快速模具、電弧噴涂模具、環氧樹脂模具等[2]。然后再通過澆注成型得到相應的模具。

4結論

快速成型技術是20世紀才發展起來的一門新的技術，它的特點是快速性、自由性等，使之得到廣泛的應用，在機械加工方面，克服了傳統切削的浪費材料、難加工等特點，特別是在模具制造方面的應用，屏蔽了傳統機械切削法時間長、制造成本高等缺點，對模具制造業的發展開辟新的生產方法。但其壽命短、精度低等缺點導致其不能廣泛應用。相信在未來科技發展中，快速成型技術將會克服它的不足，在其制造過程中會得到新的突破，尤其是在模具制造業中產生更大發展，從而得到極大的應用[3]。

參考文獻

[1] 劉光富，李愛平.快速成形與快速制模技術[M].上海：同濟大學出版社，2004.2.

[2] 王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2008：34.

[3] 陳賢杰.先進制造技術論文集.北京：機械工業出版社，1996：87.

*基金項目： 九江學院科學技術研究基金(2012KJ06，2012KJ07，2014KJYB020)

Rapid Prototyping Technology and Application in “Die manufacturing technology”

ZHANG Wang-nian，DENG Ning，LIANG Wei-jie，WANG Xin-hai，KANG Hui

(Jiujiang College of Mechanical and Materials Engineering，Jiujiang 332005，Jiangxi，China)

Abstract：This paper introduces the principle and process of rapid prototyping technology(RP)，and combined with the “Model instrument system concrete engineering”. Rapid prototyping technology is an advanced science based on digital technology，computer technology，laser technology and new materials technology. It has important applications in new product development and mold molding.

Key words：rapid prototyping，RP technology，digital control，laser technology

中圖分類號：TB 331

通訊作者：張汪年，副教授；E-mail：zwn2003@126.com；Tel：15879275911