快速制模技术及应用

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1、 230 第七章 快速制模技术及应用 第一节 快速制模的基本概念 模具工业是制造业的重要组成部分，对国民经济和社会发展将起到越来越大的作用，模具制造的水平已成为衡量一个国家制造能力的重要标志之一。 快速制模技术是将传统的制模方法与快速成形技术相结合，使模具制造周期缩短、成本降低、经济效益提高，在精度和使用寿命方面满足生产要求。快速制模的目标是以最快的速度从三维CAD设计模型获得所需要的最终产品零件。随着新的快速成形技术的不断出现，快速制模技术也在不断迅速发展，并成为快速制造的重要组成部分。 按照模具的寿命(零件生产数量)，快速制模可以分为： 1.用于制作少量原型(420件)的硅橡胶模。 2.用

2、于小批量生产(1005,000件)的环氧树脂背衬模和低碳钢一渗铜模。 3.用于批量生产(10,000100,000 件以上)的工具钢一渗铜模和电铸镍壳背衬模。 按照模具的用途，快速制模可以分为： 1金属铸造模的快速制造。 2塑料注射模的快速制造。 3钣金成形模的快速制造。 4电火花成形电极的快速制造。 为了进一步阐明快速成形与快速制模以及各种快速制模技术之间的联系，可通过一张不完整的路线图，描述塑料注射模的快速制造，如图 7-1 所示。 231 图7-1 快速成形和快速制模的路线 从图中可见，快速成形的制件除了作为概念模型或有结构的、可装配的功能模型外，正在迅速发展和具有广阔应用前景的是快速制

3、模领域，即用于制作母模、直接制模和间接制模。 将原型作为母模，先浇出硅橡胶模，然后通过在硅橡胶模具中真空浇铸聚亚胺酯复合物，可复制出一定批量的原型。聚亚胺脂复合物具有与大多数热塑性塑料大致相同的性能，生产出的最终零件已经可以满足高级的功能验证和装配测试，以及作为试制产品供展览用。 短期或中期使用的热塑性材料注射模可以将原型当作母模，再进行金属喷镀来制作。制作生产模具型腔的其他方法还有：电沉积或金属树脂混合物浇注等。用这些快速制模方法制作出的模具，几乎与传统方式生产的模具一样。 快速原型也可以用于间接制模，制作出EDM电极的合适外形。其优点是用快速成形技术制作复杂的电极比用数控加工要迅速得多，而

4、且这种电极在渗透率和磨损率两方面都要比传统方法制作的电极好。 直接制作模具型腔是真正意义上的快速制造，可以采用混有金属的树脂材料制成，也可以直接采用金属材料成形。这种模具能够进行1O万次甚至更多次注射。 232 第二节 硅橡胶软模及其应用 一、硅橡胶软模 1制作工艺过程 硅橡胶模是最常见的软模，主要是试制用模具，也可用于制作过渡模。其制作工艺过程如图7-2所示。 图7-2 采用硅橡胶模真空浇注零件的过程 从图中可见，三维CAD模型转换成为STL文件格式输出给SLA快速成形机，快速成形制成的原型就作为母模。将母模悬挂在框盒中，并在适当位置固定一个用以形成浇注通道的金属柱；然后在常态下或在真空浇注

5、机中倒入混合好的液态硅橡胶，再放到烘箱中固化，就得到硅橡胶模。按照零件的复杂程度设计好分模线，将硅橡胶模切成若干块(至少是上下模两块)，取出母模，最终完成硅橡胶模的制作。 当需要复制原型时，把硅橡胶模装配固定后，放入真空浇注机下部的工作室中，并将浇注通道对准漏斗口。真空浇注机上部的搅拌装置，将配制好的材料(如双份聚氨酯塑料)，通过上、下工作室之间的漏斗注入硅橡胶模中：然后取出有塑料件的硅橡胶模，进行脱模，获得聚氨酯塑料坯件；再在烘箱中固化后，就可获得最终的产品。 2真空浇注硅橡胶模的优缺点 真空浇注硅橡胶模的优点是： 1)制作周期短，可以大幅度缩短产品开发周期。 2)制作费用非常低廉。 233

6、 3)硅橡胶模弹性好，工件易于脱模。 4)复制性能好，能够良好地反映母模上的细节，基本上不损失尺寸精度。 真空浇注硅橡胶模的缺点是： 1)使用寿命不长。对于简单零件，可以用硅橡胶模制作3040件：对于复杂零件，仅能够制作lO15件。 2)导热性能差。当采用双份聚氨酯反应式塑料时，冷却时间往往是浇注时间的好几倍。 3)在压力下硅橡胶模容易变形，不能直接用于注射机生产塑料零件。 4)聚氨酯塑料件在性能上与其他塑料还有一定的差别。 3真空浇注机 真空浇注机是快速制模的一种基本设备。德国MK-Technology公司、台湾、深圳丰溢均生产不同规格的真空浇注机，深圳丰溢生产的HVC-1型的外观和工作室内

7、部布置如图7-3所示。 图7-3 深圳丰溢生产的HVC-1型真空浇注机 从图中可见，该真空浇注机由上下两个工作室、真空泵和控制系统组成。上工作室中有两个料杯A和B，用于存放不同的材料，料杯A和B都可以作一定角度的转动，以便将材料倒出。在制作聚氨酯塑料零件时，A杯中存放一份聚氨酯，B杯中存放另一份聚氨酯。在真空状态下，待材料中含有的气体蒸发后，将A杯中的聚氨 234 酯倒入B杯中，并借助搅拌器搅拌均匀，就双组份聚氨酯。 下工作室中是一个可升降的工作台，工作台上放置硅橡胶模。上、下两工作室之间有一层隔板和漏斗，调整升降台可使硅橡胶模的浇注通道对准漏斗口。然后在真空状态下，倾斜B杯，混合好的双组份聚

8、氨酯就通过漏斗注入硅橡胶模中。 真空浇注机的压力状态对零件的质量有很大的影响。整个浇注过程必须保证在真空状态下进行。 4硅橡胶模的应用案例 采用硅橡胶模真空浇注制作部分零件如图7-4所示。 图7-4 真空浇注硅橡胶模及其制成的零件 二、非直接快速制模 1复制失蜡铸造用的蜡模 硅橡胶模广泛用于非直接快速制模中，作为过渡模。例如，注入工业用蜡，就可以成批制作失蜡铸造用的蜡模，其工艺过程如图7-5所示。 图7-5 采用蜡模浇铸金属零件的过程 从图中可见，将与零件形状一样的蜡模放入陶瓷模制造设备中，制成陶瓷模的 235 模坯。然后，取出陶瓷模坯，放入烘箱中，将蜡模熔化，同时对陶瓷模坯进行热处理烧结，制

9、成陶瓷模。利用陶瓷模就可以在精铸机中铸造各种金属零件。借助硅橡胶模制作蜡模。 2复制工具钢-渗铜模的模坯 采用硅橡胶模作为过渡模制造批量生产用的钢模是3D Systems公司提供的一种快速制模工艺方法，注册专利为KelTool。它采用 SLA 快速成形工艺制作母模，然后复制为硅橡胶过渡模，在过渡模中浇注颗粒度为550gm的A6工具钢粉、碳化钨粉和粘合剂的混合物，在常温下固化后，获得半成品的模坯；在有保护气体的加热炉中烧结，获得70密度的模坯，然后在真空炉中渗入铜合金接近100密度，最后打磨抛光即可获得大批量生产用的工具钢模具，是历史最悠久的快速制模工艺。 KelTool工艺过程是用SLA快速成

10、形与最终塑料零件一样的正母模，比负母模更易于打磨和抛光，明显提高了模具的质量，但需要6个步骤，如图7-6所示。 图7-6 6Keltool快速制模工艺 KelTool快速制模方法的优点是： 1)碳化钨的颗粒很细，模具型芯和型腔的表面质量很好，表面粗糙度 Ra 值为2025m，并能够抛光至镜面。 2)由于含有30的铜，导热性能比传统的工具钢好，能缩短注塑循环时间，提高生产率。 236 3)碳化钨颗粒的硬度高，模具表面硬度可达45-50HRc，大大提高了模具的耐磨性，延长了模具的使用寿命。对于一般工程塑料，使用寿命可达100万次以上。 4)制造周期短，可以在24周内交货。 KelTool快速制模方

11、法的缺点是： 1)必须有尺寸较精确而且稳定的母模才能制造高精度的模具，因此受到SLA快速成形技术的限制，尺寸精度为+O.02mm。 2)材料价格较贵，运作成本高。 三、环氧树脂背衬模 1制作工艺过程 环氧树脂背衬模是采用3D Systems公司开发的一种ACES(Accurate Clear Epoxy Solid)工艺固化的树脂薄壳，并用铝填充环氧树脂作背衬而构成的注射模，称为“DAIM(Direct ACES Injection Molding)模”，是用于小批试制的直接快速制模工艺。 ACES成形工艺的特点是采用渐进式固化方法，使液态环氧树脂先后接受两次紫外线曝光，达到减少制件翘曲变形的

12、目的，故称为精确、清晰环氧树脂固化工艺。 与传统的模具钢相比，环氧树脂相当软，而且导热性能很差。因此，用环氧树脂制作实体型芯和型腔通常是不合适的。DAIM 模是在 SLA 快速成形机上制作 ACES薄壳，然后在其背后布置共形冷却铜管，再浇注铝填充环氧树脂，以增加其导热性能，最后放入模架中在注射机上注射塑料零件。 2环氧树脂背衬模的优缺点 环氧树脂背衬模的主要优点是： 1)可在SLA快速成形机上直接制作注射模型芯和型腔的镶块，无需过渡模。 2)可以在很短的时间内(12 周)生产一定批量(5300 件)的工程热塑性塑料零件。 环氧树脂背衬模的主要缺点是： 1)由于环氧树脂的低导热率，造成使用DAI

13、M模具时所需的注射循环时间较长，一般为3.55min。 2)SLA快速成形制作大型ACES镶块的费用较大。 3)模具的机械强度较差，而且容易磨损，特别是注射玻璃纤维填充的热塑性塑料时，会显著降低DAIM模具的使用寿命，甚至难以超过5O件。 3低熔点合金背衬 237 环氧树脂背衬模除采用铝粉与双份环氧树脂的混合物作为背衬外，为了进一步增加导热性能，也可用铋、锡、锑和铅构成的低熔点合金作为环氧树脂薄壳的背衬材料。 图7-7 环氧树脂低熔点合金背衬模 a)可配置共形冷却管道的环氧树脂 b)薄壳装入模架后的DAIM模 这种背衬材料的优点是，当模具报废或不再使用时，可将其放入 100的水或烘箱中，使低熔

14、点合金背衬融化，以便回收后多次重复使用。 采用SLA快速成形制作的环氧树脂薄壳，其背面有网格框架的空间，可配置共形冷却管道，如图7-7上图所示。浇注低熔点合金背衬后，再分别装入型芯和芯腔的模架，就成为注射塑料零件的DAIM模，如图7-7下图所示。 采用物理气相沉积、电化学沉积和低温喷镀金属等表面处理工艺，使一些材料附着于ACES镶块的表面，可以改善DAIM模的散热条件，提高表面硬度和耐磨性。 238 第三节 镍壳背衬模 一、 电铸镍壳一陶瓷背衬模 1技术特点 电铸镍壳一陶瓷背衬模(Nickel Ceramic CompositeNCC)是CEMCOM公司提出的一种快速制模方法。它是用电铸方法在

15、母模表面形成镍壳，再用化学粘接陶瓷作背衬的模具，可以用于批量生产，生产10,00050,000件产品。 母模可以用SLA和其他快速成形工艺制作，其形状尺寸应该与镍壳的厚度相适应，以保证镍壳的表面形状与最终零件一致。为了电铸的需要，母模的表面需经真空镀膜、化学镀膜或喷涂硝酸银等导电化处理。 电铸是电镀的特殊应用，将母模作为阴极，电铸材料作为阳极，在电解的作用下，母模的表面逐渐沉积出金属电铸层，形成金属外壳。 电铸镍壳一陶瓷背衬模的特点是以高导热性的电铸镍壳作为模具的硬工作表面，高强度的化学粘接陶瓷作为支撑背衬，再嵌入标准的钢模架中，充分发挥了不同材料各自的优势，从而保证了模具的强度和耐磨性能。

16、电铸镍壳一陶瓷背衬模的关键在于背衬必须将机械和热负荷从镍壳表面传递给模架。因此，首先 3 种不同材料的热膨胀系数要尽可能一致，该公司提供专用的 COMTEK66化学粘接陶瓷，其热膨胀系数为13.9nm(mm)，与镍非常接近：并且能够在室温下固化成形，收缩率仅为0.02；尽管其热导率不如金属，但比铝填充环氧树脂高一倍。此外，陶瓷背衬的耐热性能很好，在工作温度高达 400时，其尺寸仍然保持稳定。 2制模工艺 电铸镍壳一陶瓷背衬模的制作工艺过程如图7-8所示。 图7-8 电铸镍壳一陶瓷背衬模的制作工艺过程 239 从图7-8可见，其工艺过程共分5个步骤： 1)设计母模并成形。根据最终零件的三维CAD模型，考虑镍壳厚度加以修正，设计电铸母模，利用快速成形机制作母模。 2)采用电铸工艺，在母模的正反面成形镍壳，完成过渡模的制作。按照母模的尺寸大小不同，镍壳的厚度一般为l5mm