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RPM在快速模具制造中的应用 |
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作者：梁萧 王树杰 来源：《CAD/CAM》 |
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随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发的能力，成为制造业全球竞争的实力基础。同时，制造业为满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变的十分关键了。本文主要介绍了快速模具的应用背景和主要特点，并阐述了RPM在快速制模中的主要应用。
一、前言
快速模具技术（RapidTooling，简称RT）是应用快速成形方法（RPM），快捷、方便地制作工具或模具的一种新兴技术。RT一直受到产品开发商和模具界的广泛重视，可以说，RT是传统快速模具技术与现代先进制造技术相结合的典范。
RT的显著特点是：制模周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低，精度和寿命能满足特定的功能需要，综合经济效益良好，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。目前，RT已被广泛应用到汽车制造、航空航天、军工、电子、医学和家电等领域。
运用RPM技术可以直接制造模具，也可以利用快速物理原型经过中间转化制造模具。其一般的工艺流程如图1所示。
图1 利用RP原型制作模具的流程框图
二、利用RPM原型直接制造模具
直接法是指根据模具的CAD模型由RP系统直接制造成形，它不需要RP制作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对模具的制造尤其快捷，是一种有开发前景的快速模具制造方法。
1. LOM法直接制造模具
分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）工艺，又称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研究成功，并推出了商品化的机器。
采用LOM工艺成型的纸基原型可直接用来代替传统木模，不仅大大缩短了制模时间，而且原型的尺寸精度也比木模高，强度和尺寸稳定性也优于木模。对于形状复杂的高精度模具，其优点尤为突出。快速成型件具有较好的机械强度和稳定性，其性能优于硬木，可承受200℃的高温。经表面处理后，可用作砂型铸造的木模，一般可用来重复制作50～100件砂型。其不足之处是RP原型经长时间保存后会产生变形。
LOM法主要用以制造下列用途的纸模具：灌注石蜡铸造蜡模的模具、石膏成型模、塑料压铸成型模和低熔点合金铸造模等。
2. SLS法直接制造模具
采用SLS(Selective Laser Sintering)工艺可直接烧结涂敷有粘接剂的金属粉末，当模型制造完成后，再加热去除粘接剂，并对模型进行金属浸渗，从而获得金属模具。
SLS法可以选择不同的粉末来制造不同用途的模具。用SLS法可直接烧结金属模具或陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及冲压成形模。SLS制作的模具经渗铜后，还可直接用作金属模具。
三、利用RPM技术间接制造模具
根据材质的不同，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两大类。
1. 利用RPM原型制造软质模具
软质模具因其所使用的软质材料（如硅橡胶、环氧树脂等）有别于传统的钢质材料而得名。这些软模具可用作试制、小批量生产用注塑模，制造硬模具的中间过渡模和低熔点合金铸造模等。这些软模具具有很好的弹性、复印性和一定的强度，在浇注成形复杂模具时，可以大大简化模具的结构设计，且便于脱模。例如，TEK高温硫化硅橡胶的抗压强度可达12.4～62.1MPa，承受工作温度150～500℃，模具寿命一般为200～500件。一般室温固化硅橡胶构成的软模具寿命为10～25件，环氧树脂合成材料构成的软模具寿命为300件。由于其制造成本低和制作周期短，因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行以及在国防、航空等领域单件、小批量产品的生产方面受到高度重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。其工艺流程是将快速原型配置浇注系统作为芯模，悬置于模盒内，注入流态硅胶，经真空脱气、固化后沿预设的分型面分开，模具制造即告完成。硅胶模具可以用来制作塑料件和低熔点合金件，寿命只有几十次至上百次。工艺流程如图2所示。
2. 利用RPM原型制造硬质模具
软质模具生产制品的数量一般为50～5000件，对于中大批量的产品，仍然需要传统的硬质模具。硬质模具主要用于砂型铸造、消失模的压型制作、注塑模以及简易非钢质拉伸模。硬质模具制造主要有以下几种方法。
(1)电火花加工法
电火花加工法是利用RPM原型制作EDM电极，然后利用电火花加工制作钢模。其制作过程一般为：RPM原型→三维砂轮→ 石墨电极→钢模。
(2) 熔模精密铸造法
在批量生产硬质模具时可采用熔模精密铸造法。该方法是利用RPM原型或根据原型翻制的软质模具生产蜡模，然后利用熔模精铸工艺制作钢质模具。大部分的RPM原型都可以作为熔模精密铸造的母模。其工艺路线是：RP原型（中间过渡模）→制作蜡型→熔模铸造→成型/处理→模具。
(3) 陶瓷型精密铸造法
在陶瓷型精密铸造中，通常采用的母模（如木模、石膏模和金属模等）存在着加工困难、精度难以保证、制造周期长、使用寿命短和成本高等问题，因此对于复杂形状的零件将RP原型技术直接用于陶瓷型铸造，可比传统加工方法节省工时，降低成本。其工艺路线是：RP原型→软模→移出母模→浇注/喷涂浆料→浇注金属→成型/处理→模具。
(4) 金属熔射喷涂制造法
金属熔射喷涂制造模具的方法是在RP原型或过渡模型为母模的表面上，用电弧或等离子喷涂雾状金属，形成金属硬壳层，移去母模后，在金属壳背面补铸金属基合成材料或环氧树脂，形成硬背衬，经后处理得到金属表面与硬背衬构成的模具。用该方法制作的模具机械性能较好，精度也容易保证，可以制作工作压力较高的模具，模具寿命可达1000～30000件。
(5) 铝基合成材料制造法
以RP原型为母模，浇注硅橡胶等软材料形成软模具，再在软模具中浇注室温下液态铝基合成材料形成型腔，型腔经后处理制得模具。由于是在室温下浇注，避免了高温熔化金属浇注导致的较大翘曲变形，精度容易得到保证。用这种方法制作的注塑模具寿命一般为500～5000件(取决于被注射成形零件的材料和形状)。
(6) 化学粘结陶瓷材料制造法
以RP原型为母模，浇注硅橡胶等软材料形成软模具，再在软模具中浇注化学粘结陶瓷材料（CBC），在205℃下固化形成型腔，经处理后制得模具。用该法制得的模具寿命一般为300件。其工艺路线为：快速原型制作纸质母模→（浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等软材料）构成软模→移去母模→在软模中浇注化学粘结陶瓷(CBS) →在205℃下固化CBS型腔→型腔表面抛光加入浇注系统和冷却系统→小批量生产用注塑模。
(7) 铸造法
用快速原型作为石蜡铸造模具的蜡型或砂型铸造模具的模型，制作铸造壳型或砂型，然后浇注出金属模具来，但铸造出来的模具一般还要经过打磨或少量切削加工。
(8) 钢丝模具
钢丝模具是利用细钢丝在某个方向沿快速原型的外形排列而形成模腔的模具。钢丝可采用机械紧固，也可在钢丝上涂抹或在钢丝间注入环氧树脂或低熔点合金等作为粘结剂，压紧固化后即可。模腔内壁可冷喷涂金属合金，以提高使用寿命和表面质量。钢丝模不但适合生产塑料制品，还可用于生产金属制品。
(9)电铸制模
电铸制模法的原理和过程与金属喷涂法比较类似。它是采用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面上，再背衬其他充填材料来制作模具的方法。电铸法制作的模具复制性好且尺寸精度高，适合于精度要求较高、形态均匀一致和形状花纹不规则的型腔模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。
四、结论
总之，用快速成形技术制作模具，既避开了复杂的机械切削加工，保证模具的精度，又可以大大缩短制模时间、节省制模费用，与传统的数控加工模具方法相比，周期和费用都降低了1/3～1/10左右，对于形状复杂的精密模具，优点尤为突出。但是这种模具制作方法，目前还存在着所制模具寿命相对较短的缺点，即使是金属表面加硬背衬的模具，其使用寿命也不及真正的金属模，所以快速成形模具适合于单件小批量生产。
虽说快速成型技术研究的热点较多，但是快速模具制造技术，是非常具有经济前景的领域。随着快速成型技术和材料技术的不断发展和完善，快速模具技术必将获得新的活力，尤其在开发高档技术产品方面，将会发挥更大的作用。(end)
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(8/11/2004) |
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