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1、逆向工程及快速成型 Reverse Engineering&Rapid Prototyping,主讲：匡唐清华东交大材料工程系,主要内容概论软模桥模硬模,RE&RPRT篇,快速制模：快速模具制造（Rapid Tooling，简称RT），是以RP为技术支撑而发展起来的新型制造技术。特点：制模周期短，一般为传统模具制造的1/31/10；工艺简单，易于推广；制模成本低（仅为传统制模的1/31/5）精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好。,概 论,快速制模：方法直接法：优点是制模工艺简单、精度较高、工期短，缺点是单件模具成本较高，适用于样机、样件试制。通过SLA 或SLS 法，直接用树脂
2、、粉末塑料（如ABS）等制成凸、凹模，可以作成薄板的简易冲模，汽车覆盖件成形模等。这些简易模具的寿命是501000 件，适用于产品试制阶段。采用特殊的纸质利用 LOM 工艺方法可直接制造出纸质模具，坚如硬木，可耐200高温，可用作低熔点合金的模具或试制用注塑模以及精密铸造用的蜡模成形模，还可以代替砂型铸造用的木模。用FDM 法直接制成金属模。将不锈钢粉末用FDM 法制成金属型后，经过烧结、渗铜等工艺渗铜等工艺制成了具有复杂冷却液道的注塑模,概 论,快速制模：方法间接法：由快速成形或其他途径得到零件原型，根据不同的批量和功能要求采用合适的工艺方法快速翻制得模具,概 论,快速制模,概 论,软模技术
3、一般指硅胶模，由SLA,FDM，LOM或SLS制造零件原型，再翻制硅胶模后，向模中灌注双组分树脂，固化后得到所需零件。通过调节树脂中双组分的构成来调整树脂零件的机械性。过渡模(桥模)技术一般为环氧树脂模具，桥模是介于试制用软模与正式生产模间的一种模具，可直接进行注塑生产，使用寿命目标为1001000个零件，零件用与最终零件生产期望的产品材料制成。可满足中小批量生产的需要硬模技术硬模一般指用间接方法制造的金属模具和用快速成形（金属粉末选择性烧结）直接制造的金属模具间接法：先利用快速成形技术加工出非金属材料的原型，然后借助其他技术将这些非金属原型翻制金属零件或金属模具,概 论,工艺路线原型件的准备
4、（略）硅橡胶模的结构硅橡胶模的优点硅橡胶模的制造浇注品的制造应用,软模,工艺路线硅橡胶模的结构,软模,硅橡胶模的优点结构较简单，制作周期短 只要工件的原型件，无需昂贵的设备和模架等装置，不必模具设计，在几小时内就能完成制模与产品成形。与传统金属模注射成形塑料工件相比，用硅橡胶模能缩短开发周期高达90%；成本低 与CNC机加工的金属模相比，硅橡胶模的制作费用低得多，一般只有金属模的几分之一；弹性好，工件易于脱模 不必添加脱模斜度，工件往往就能脱模，可大大简化模具的设计；复印性能好，精度高 硅橡胶的收缩率小，有优良的复印性能，能达到金属模同样的精度；,软模,硅橡胶模的优点能用于在室温下浇注高性能的
5、聚氨酯塑料件或蜡件 反应成形聚氨酯又称为反应成形塑料。它的原材料通常是液态双组分材料，将这两个组分按一定的比例加以混合，并在室温下浇注到成形模具内，能迅速（几十秒至几分钟内）完成固化反应,1040min内能脱模，然后,一般在80下经几小时保温，可完全固化成高性能的塑料件（如ABS工件），这种成形塑料件的方法不必采用金属模和热注射成形机，一般称为塑料反应成形工艺。广泛应用在新产品的试制中通常用于成形塑料件，也可用于成形失蜡铸造所需蜡件。普通室温硫化硅橡胶模的使用寿命取决于工件的复杂程度，一般为1020个工件，足够新产品研制的需求。,软模,硅橡胶模的缺点导热性能差寿命短不能成形真实的零件不能采用热
6、注射工艺成形工件,软模,硅橡胶模的制造原材料双组分室温硫化有机硅橡胶聚合型：固化时产生副生成物，收缩率较大缩合型模具硅橡胶的抗剪切强度较低，在模具制造过程中易撕裂，难于成型花纹深、形状复杂的模具；成型过程中由于缩合交联反应产生乙醇物质难以完全排出，使模具在受热时硅橡胶降解老化，同时由于乙醇的排出也使得硫化胶的体积收缩，影响模具的尺寸缩小。因此，常用在塑料或人造革生产中的高频压花模具，或尺寸要求不高的工艺品制造。加成型：由于采用加成硫化体系，在成型过程中不产生低分子化合物，因而具有低得线性收缩率，胶料可以深部固化，且物理、力学性能和耐热老化性能优异，适用于制造精密模具和铸造模具，且模具制造工艺简
7、单，不损伤原型、仿真性好。成为模具硅橡胶的主导,软模,硅橡胶模的制造设备真空浇注机真空的作用是提供真空环境，排除液态材料中混入的空气或湿气，避免在浇注件中出现气泡。反应注射机压力和流量比较大，适合反应成形中大型塑料件，但是，往往难于在真空环境下成形，所以应注意设法排除塑料件中的气泡,软模,真空浇注机,浇注,反应注射机,硅橡胶模的制造步骤,软模,由于RP技术生产出来的原型材料与硅橡胶不发生反应，制造过程中没有经过变形，也不会产生褶皱，能够生产出与精密塑料件一样的表面质量。,硅橡胶模的制造步骤原型表面处理 RP原型一般存在台阶纹或缝隙，需进行打磨和防渗与强化处理等以提高原型的表面光滑程度和抗湿性与
8、抗热性等。只有原型表面足够光滑，才能保证制作的硅胶模型腔的光洁度，进而确保翻制的产品具有较高的表面质量和便于从硅胶模中取出。,软模,制作型框和固定原型依据原型的几何尺寸和硅胶模使用要求设计浇注型框的形状和尺寸，型框的尺寸应适中。在固定原型之前，需确定分型面和浇口的位置，这直接影响着浇注产品能否顺利脱模和产品浇注质量的好坏。当分型面和浇道选定并处理完毕后，便将原型固定于型框中。,硅橡胶模的制造步骤硅橡胶计量、混合并真空脱泡硅橡胶用量应根据所制作的型框尺寸和硅橡胶的比重准确计量。将计量好的硅橡胶添入适当比例的硬化剂，搅拌均匀后进行真空脱泡。脱泡时间应根据达到的真空度来掌握。硅橡胶浇注及固化硅橡胶混
9、合体真空脱泡后浇注到已固定好原型的型框中。浇注后，为确保充填完好，再次真空脱泡。脱泡的目的是抽出浇注过程中掺入硅胶中的气体和封闭于原型空腔中的气体，此次脱泡的时间应比浇注前的脱泡时间适当加长，具体时间应根据所选用的硅橡胶材料的可操作时间和原型大小而定。脱泡后，硅胶模可自行硬化或加温硬化。加温硬化可缩短硬化时间。,软模,硅橡胶模的制造步骤拆除型框、刀剖开模并取出原型当硅胶模硬化后，即可将型框拆除并去掉浇道棒等。参照原型分型面的标记进行刀剖开模，将原型取出对硅胶模的型腔进行必要清理，便可利用所制作的硅橡胶模具在真空状态下进行树脂或塑料产品的制造,软模,拆除型框,刀剖开模,取出原型清理后合模,小件树
10、脂产品硅胶模的制作流程,关公硅胶模制作,产品制造原材料聚氨酯材料硬质材料（类ABS）、半硬质材料（类PP，PE，PC，PMMA）和弹性材料（类橡胶）操作时间35m，离模时间1h制造过程通过改变树脂中双组分的构成来调整树脂零件的机械性能模具寿命为2050件树脂零件,软模,产品制造制造过程,软模,产品制造制造过程预热预热硅橡胶模和原材料（液态双组分聚氨酯）合模用大号订书机沿分模面顺序订压订书钉，缠绕一圈胶带，使上下半模良好密封，防止浇注时液态材料从分模面溢出抽真空将硅橡胶模放入真空浇注机，排除模具型腔中的气体浇注通过控制系统，将A杯内的固化剂注入B杯，混合器开始进行搅拌，然后，使B杯中已混合的液态
11、材料通过漏斗徐徐注入模具的型腔,软模,产品制造制造过程固化待硅橡胶模中的液态材料初步固化后，将模具放入烘箱，在7075下加热，使液态材料完全固化取件取出硅橡胶模，去除模具上的胶带与订书钉，用压缩空气枪向模具的浇口吹气，分开上下半模，取出塑料件。后处理,软模,应用可用于快速成形塑料件（最普遍）或蜡件，这些成形件不仅是一般的塑料件，而且可以是大型、复杂、高性能、高透明度、高精细度的塑料件,软模,汽车保险杠ABS塑料件,硬塑料件、透明塑料件和弹性塑料件,软模应用,软模,形状复杂的塑料件及其硅橡胶模,硅橡胶模和浇注的弹性件,有许多密集小孔的网格式塑料件,硅橡胶模与浇注的蜡模,用硅橡胶模浇注的透明光学件
12、,铝填充环氧树脂模Composite Aluminum-Filled Epoxy,CAFE制模材料：铝基复合材料填充铝粉的环氧树脂SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂衬模成形部分采用SLA成形的型芯/型腔壳采用铝填充环氧树脂填充壳背面,桥 模,铝填充环氧树脂模制造工艺模型准备首先，真实功能零件制造中可能存在材料的收缩，因此，原型的形状和尺寸应该适当修正以补偿材料收缩引起的变形。另一个问题是由制模方法所决定的，用于制造环氧树脂模具的快速原型应带有适当的拔模斜度。首先由快速成形技术制作原型（实际最终零件）用作母模，作为母模的原型件必须经过表面打磨和抛光,桥 模,铝填充环氧树脂模制造工艺底座制作并固定原
13、型底座的制作要保证与模型及分型面相吻合，底座可以由一些容易刻凿的材料像木材、金属、塑料、玻璃、石膏、甚至耐火泥制作。固定好模型后，进行模框搭建。当环氧树脂模具需要用模框加强时，模框应当用金属制作，并且模框内部应尽可能粗糙，以增大环氧树脂与模框的粘接强度。,桥 模,铝填充环氧树脂模制造工艺涂脱模剂为了顺利脱模，模型及分模面必须涂脱模剂。脱模剂应该涂得尽可能地薄，并且尽可能均匀地涂23遍，以防止漏涂和涂不均匀。然而，起增强作用的金属模框和一些镶嵌件不能涂脱模剂。有时，为了使其与环氧树脂连接更好，还应打毛其表面，或将其作为镶嵌结构。将环氧树脂与固化剂和填料及附加物金属粉末等均匀混合，混合过程中必须仔
14、细搅拌，尽可能地防止混进气体。采用真空混料机可以有效地防止气体的混入。,桥 模,铝填充环氧树脂模制造工艺浇注树脂脱模剂喷洒完毕后，将混合好的填充物浇注到型框内，应掌握浇注速度尽量均匀，并尽可能使环氧树脂混合料从模框的最低点进入。去除底座并进行另一半模的制作待树脂混合物基本固化后，将模具小心的翻转过来并移走底座，搭建另一半模的模框，喷洒脱膜剂，同样过程浇注另一半模具。,桥 模,铝填充环氧树脂模制造工艺树脂硬化并脱模待树脂完全固化后，移走型框，将上下半模放入后处理的炉子内加热并保温。环氧树脂的硬化过程可以在一定压力下进行。实践证实，压力条件下进行硬化可以防止气孔的产生，并可提高材料的致密度以及模具
15、的精度和表面光洁度。由于光固化树脂的力学性能较低，而且大部分做成中空结构（为了提高制造速度并节约树脂材料），因此压力不能太高。硬化过程最好在60以下，因为光固化树脂材料的玻璃化转变温度一般在6080之间。当环氧树脂完全硬化后，采用顶模杆或专用起模装置将原型从树脂模具中取出，如图所示。,桥 模,铝填充环氧树脂模制造工艺模具修整并组装如果环氧树脂模具上存在个别小的缺陷，可以进行手工修整。修整包括局部环氧树脂补贴和钳工打磨等。当上下半模修整完毕后，便可以与标准的或预先设计并加工好的模架进行装配，完成环氧树脂模具的制作，交付使用。,桥 模,铝填充环氧树脂模制造工艺正母模一个工步母模、树脂模都较硬，对较
16、复杂零件必须适当增加拔模斜度，保证顺利脱模负母模中间硅橡胶软模负母模设计、制造较困难易于脱模二工步，尺寸误差增大正母模两次中间硅橡胶软模工序较多，尺寸误差增大,桥 模,正母模：形状与最终零件相同，考虑了收缩补偿负母模：形状与最终零件相反，考虑了收缩补偿,铝填充环氧树脂模制造过程（正母模）有真空条件制造母模和分型板母模表面涂覆脱模剂母模、分型板置于型框中设置冷却管配备模具材料（精细研磨铝粉和双组分热固性环氧树脂），真空脱泡真空浇注，固化拆分，重复过程浇注另一半模检查型芯型腔定位、加工浇注孔、安装推料板/推料杆/冷却管、装配至标准模架热塑性塑料注射成型,桥 模,铝填充环氧树脂模特点与传统注塑模相比
17、，省略了模具设计、数控加工和热处理三个耗时费钱的过程，成本大大降低，生产周期大大缩短；模具寿命可达1001000件，对形状简单零件可达5000件，可满足中、小批量生产需要。,桥 模,SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬模Direct AIM方法（20世纪90年代中期3D Systems公司；AIMACES Injection Molding；ACESAccurate Clear Epoxy Solid，一种SLA快速成形工艺）：在 300下直接把热塑性塑料注入一种玻璃化温度为65-85 的SL光敏树脂制成的ACES模腔中，得到塑料零件。,桥 模,SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬模Direc
18、t AIM方法：要有较长的注塑循环周期，合适的脱模剂和拔模斜度成型周期长45min（树脂热导率低）大型ACES镶块的快速成形时间长3040hDirect AIM镶块的物理强度不高Direct AIM模具表面较软，抗磨损性较差,桥 模,SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬模ACES型芯/型腔壳背衬填充AFE/Al更短的SLA制造时间更有效的热导率更好的抗压强度更低的成本注塑循环周期缩短模具寿命延长,桥 模,直接制造金属粉末SLS成形直接制造金属模具，但目前精度难以满足要求间接制造先利用快速成形技术加工出非金属材料的原型，然后借助其他技术将其翻制成金属零件或金属模具,硬 模,硬 模,直接加工金属模
19、具SLS烧结单一金属粉末直接烧结，一般为青铜基粉末熔点差异较大的两种金属粉末烧结液相烧结金属粉末/树脂烧结降解聚合物高温二次烧结渗金属LOM成形成形材料为金属箔，可直接加工出铸造用EPS气化模FDM成形成形材料为金属材料,硬 模,KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法快速制模技术由美国3D Systems公司开发成功，后转让给美国Keltool公司。KeltoolTM法制模技术实际上是一种粉末冶金工艺。KeltoolTM法基本原理及工艺流程首先以三维CAD软件设计概念原型（包括型腔和型芯）并保存为STL文件，然后将STL格式文件传送至快速原型系统来制造原始原型；然后利用原始原型制
20、得硅橡胶软模；接下来在真空无压状态下向硅橡胶软模内浇注由两种不同成分，不同粒径组成的双形态混合金属粉末与有机树脂粘结剂按一定比例组成的混合物，固化原型后制得待烧结坯；然后将待烧结坯放置于有氢气气氛的烧结炉内进行烧结，在烧结过程的低温阶段，粘结剂被烧除并由流动的氢气带走；,硬 模,KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法基本原理及工艺流程(续)再继续升温烧结，将纯金属粉末烧结在一起，从而制得孔隙分布均匀的骨架状坯体；最后，向骨架状坯体中渗入另一种金属（一般为铜），使之成为完全致密的金属模具。由此工艺所制得的金属钢质硬模一般为70%的双形态混合金属和30%的铜，其硬度可以因双形态混合金
21、属的成分不同而不同。比如由A6模钢粉末及碳化钨粉末组成的双形态混合铁粉作为基体并经过渗铜致密和热处理后得到的钢质硬模，硬度可达46-50Rc。,硬 模,KeltoolTM法快速制模技术,硬 模,KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法的材料一般使用以WC粉末和A6工具钢粉末组成的双形态混合粉末为基体材料，精细研磨的WC颗粒，直径约为1-4m（平均有效粒径为2.5m），一般为多边形或粒状；A6工具钢粉末直径为20-38m（平均有效粒径为27m）。与简单地采用单一形态的粉末相比，这种双形态混合颗粒的优点如下：粗细粒径比大于7，因此双形态包的密度高得多。精细的WC颗粒能填充较大A6工具钢
22、颗粒之间的空隙。粘结剂的密度小的多，在还原炉中需要去除的粘结剂较少。烧结过程中平均收缩率较小，提高精度。充分发挥了各组分的特点，粒径较小的WC颗粒能提高表面光洁度，且能改善镶块的耐磨性，粒径较大的A6工具钢颗粒则可以提供良好的韧性。,硬 模,KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法的工艺特点 以KeltoolTM制成的耐用钢模材料为70%A6工具钢粉末及碳化钨和30%铜，A6模钢有良好的抗磨和低扭曲性，而碳化钨的硬度和耐久性极佳，铜原料则能够提高强度和导热率。其硬度为30-34Rc，热处理后为46-50Rc，具有非常好的模具寿命，可达1百万件以上。工艺流程简单，制作快速。只要温度控
23、制精确，可以将烧结和渗铜连续进行，节约成本，缩短制作时间，而且减少因温度变化而引起的收缩和变形。,硬 模,KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法的工艺特点 所需材料要求粒度较细，且对粘结剂的粘结性、流动性、固化性等性能有很严格的要求。所用母模（模具负型）没有足够的强度和硬度，故成形的模具精度不够高。模具生产周期较长，平均为4周，其中制作型芯件需要810天，而且型芯件的尺寸较小，一般在152mm203mm101mm以下。,硬 模,KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法的应用适合生产低公差、精细的模具，其尺寸精度为250mm土0.04mm。,硬 模,a)Keltool型
24、腔 b)Keltool型腔固定于模架上,Rapid toolTM法快速制模技术RapidToolTM法制模技术也称为间接金属粉末激光烧结制模，是由美国DTM公司开发的一种用于快速模具的粉末成型技术。该成型技术是依据Texas大学获得的专利技术为基础致力于粉末类快速原型机器的研发与生产之后开发成功的。RapidToolTM工艺原理及流程利用CO2激光照射外层包有粘结剂的金属粉末使粉末粘结成为半成品。粘结剂为热塑性聚合物，颗粒粒径约为5m，被预先包裹在低碳钢粉颗粒上；低碳钢粉颗粒粒径约为55m。粘结剂熔化后使钢粉颗粒固定在一起成为半成品。半成品强度仅为3MPa，因此必须小心处理，以免损伤薄弱部位。
25、将半成品进行烧结处理。将半成品置于含有25%氢气和75%氮气的电炉中。炉温大约在700时，粘结剂几乎全部被去除。氧化过程存在少量的碳渣，它会起胶粘作用，暂时协助粘合钢粉颗粒。这样烧结后制得含有60%体积金属，以及40%体积空隙的钢骨架半成品。,硬 模,Rapid toolTM法快速制模技术RapidToolTM工艺原理及流程（续）将钢骨架半成品进行渗铜处理。继续将钢骨架半成品放入充以70%氮气和30%氦气的加热炉内，并在适当位置摆设铜砖，之后，升温至铜的熔点以上，低碳钢颗粒的熔点之下，大约1120时，在制品下面的铜砖开始熔化并因毛细管现象渗入钢骨架中因粘结剂蒸发所遗留下来的空隙，得到无孔隙的全
26、致密的模具。最后再将此全致密的模具进行一些后处理的工作如加工入料孔、冷却水孔、顶出孔等，便完成了用于注射成型模具型芯的制作，然后直接安装在模座上，便可以在注射成型机上进行批量制品的生产。,硬 模,Rapid toolTM法快速制模技术RapidToolTM工艺原理及流程（续）,硬 模,Rapid toolTM法快速制模技术RapidToolTM工艺特点该方法所得到的型芯由60%的钢和40%的铜所组成，在炉中的总线收缩率为2.53.5%，硬度可达HRC27，材料机械性能优于Al7075，寿命可超过50000件。优点制作过程快速(约515工作日)；模具型芯中含有40%或45%的铜，注射模具的冷却效
27、果好，循环时间可大大缩短；模具寿命长；可使用传统工具进行机加工。缺点是在1120渗铜时会因高温导致制件变形。,硬 模,Rapid toolTM法快速制模技术RapidToolTM制模材料及设备DTM公司的Sinterstation2500快速成型系统所使用材料最初是一些热塑性材料，如PVC、PC、尼龙、蜡粉，以及用于制作壳型熔模铸造模型的材料，后来成型材料又扩展，现在可以成型的材料包括三大类：丙烯酸基粉末（True Form PM）、由尼龙与玻璃珠强化尼龙组成的合成材料、聚合粘结剂预包裹的低碳钢粉粒（例如：Rapid Steel2.0）。,硬 模,Rapid toolTM法快速制模技术Rapi
28、dToolTM工艺应用,硬 模,RapidtoolTM制模工艺制作的模具型芯,Rapid toolTM法快速制模技术RapidToolTM工艺应用,硬 模,RapidToolTM工艺注塑模与传统工艺注塑模对比表,*数据源自Ford汽车制造公司,Direct ToolTM法快速制模技术DirectToolTM法制模技术也称为直接金属粉末激光烧结制模（Direct Metal Laser Sintering，DMLS，DirectToolTM），是利用德国EOS公司的选择性激光烧结SLS设备直接进行金属模具的制造技术。DirectToolTM工艺原理及流程与RapidToolTM大体相似。不同的是
29、该工艺材料使用范围极其有限，所用材料为纯金属粉末，烧结坯不是靠有机粘结剂来粘结，而是靠金属粉末的扩散而粘结在一起的，所以其烧结的激光器所需功率比较大，一般至少在200W以上。同样截面的轮廓，计算机据此信息有选择性地烧结粉末材料，形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，逐层堆积，形成原型件；然后再将原型件渗入适量的环氧树脂，以提高制件的抗弯强度。采用DirectToolTM制造的模具寿命可达15000件以上。,硬 模,Direct ToolTM法快速制模技术DirectToolTM工艺材料DirectMetal 铜-镍基混合粉该合金混合粉末材料为瑞典Electrolux公司开发的青铜和镍合金粉末，
30、具体成分为75青铜（Cu90-Sn10）、20镍及5的磷铜，平均粒径为35-40m。在其表面渗透一层高温环氧树脂，或者渗入低熔点金属（如锡），可以得到比较好的效果，可以用作注塑模、压铸模等。,硬 模,DirectMetal 20材料制作的门锁,Direct ToolTM法快速制模技术DirectToolTM工艺材料DirectSteel 钢-青铜-镍基混合粉DirectSteel 钢-青铜-镍基混合粉常用的有50-V1、50-V2和100-V3三种牌号。这种合金粉末材料里面不含有有机成分，粒径约为50m。这种合金粉末不必进行后烧结与渗铜（或锡、高温树脂等），即可用作注塑模、压铸模等。使用50-
31、V1牌号的合金粉末所烧结成型的模具具有500MPa的抗拉强度、HB6080的硬度，用这种材料烧结的注塑模能注射几千件塑料件，烧结的压铸模能铸造几百件金属件，而模具无任何磨损的痕迹。采用附加的表面涂覆处理后，还能进一步提高模具的寿命。牌号为50-V2的DirectSteel合金粉末，可以用来制作小批量的功能原型件，其模具除了有较好的机械性能外，还具有极好的精度和表面光洁度。牌号为100-V3的DirectSteel合金粉末能够快速地被烧结成为钢质硬模，并有较好的机械性能，较高的精度，以及良好的内部结构和表面光洁度。,硬 模,Direct ToolTM法快速制模技术DirectToolTM工艺材料
32、DirectSteel 钢-青铜-镍基混合粉,硬 模,以DirectSteel合金粉为材料制作的高尔夫球模具及制得的高尔夫球,该套模具可以生产两千万个高尔夫球，比传统的模具提高了20%的生产效率。,激光近成型技术激光近成型技术（Laser Engineered Net Shaping,LENSTM）是将激光熔覆技术和快速原型及制造技术相结合的一种先进的制造技术。该技术由美国圣地亚国家实验室研究开发，其成型系统主要由激光能源系统、金属粉送进系统和惰性环境保护系统组成。激光近成型技术基本原理是在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将该模型按照一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一
33、系列的二维轮廓信息，再由金属粉送进系统向被激光热能熔化了的在垫板上形成的金属熔池喷射金属粉，按照二维轮廓轨迹在沉积垫板上逐层堆积金属粉末材料，光斑离开后金属粉末凝固成型，最终形成致密的三维金属模件。X-Y平面的成型精度为0.05mm，Z向成型精度为0.5mm。,硬 模,激光近成型技术激光近成型技术工艺特点加工成本低，没有前后的加工处理工序；所选熔覆材料广泛，且可以使模具有更长的使用寿命；几乎是一次近成形，材料利用率高；准确定位且面积较小的激光热加工区以及熔池可以得以快速冷却，是LENSTM激光近成型系统最大的特点，一方面可以减少对工作底层的影响，另一方面可以保证所成型的部分有精细的微观组织结构
34、，成型件致密，保证有足够好的强度和韧性。该工艺和激光焊接及激光表面喷涂相似，成型要在由氩气保护的密闭仓中进行。保护气氛系统是为了防止金属粉末在激光成型中发生氧化，降低沉积层的表面张力，提高层与层之间的浸润性，同时有利于提高工作环境的安全。,硬 模,激光近成型技术激光近成型技术制模设备与应用,硬 模,某型号LENSTM成型系统设备,四个金属粉喷嘴喷射金属粉且被激光进行熔化的工作现场,激光近成型技术激光近成型技术制模设备与应用目前LENSTM激光近成型工艺可以成型的材料主要有316不锈钢、镍基耐热合金Inconel625、H13工具钢、钛和钨。LENSTM激光近成型工艺一般用来制造高密度的铸模，下
35、图是通过LENSTM制造的一些铸模。另外LENSTM工艺也可以对一些金属物件进行修补，例如修补飞机的喷射叶片，可以利用激光将金属粉末喷涂在叶片损坏的地方。,硬 模,ExpressToolTM法快速制模技术该制模技术是Hasbro玩具公司与Laser Fare公司合作开发的一种制作具有共形冷却道的镍-铜壳（Ni-Cu/CCC）模具的技术。它先在原型表面电铸镍壳，然后设置共形冷却道，再电镀铜壳，并浇注背衬而构成的模具。其核心是采用了电铸镍-铜复合壳，以及共形冷却道。此种模具可批量生产注塑件。,硬 模,ExpressToolTM法制模工艺流程 原型制作与喷涂用CAD软件设计模型，并用机加工或快速原型
36、方法制作原型，且对原模进行涂覆处理。对原型进行涂覆的目的是使原型可以导电。,ExpressToolTM法快速制模技术ExpressToolTM法制模工艺流程（续）电铸镍层将已涂覆的原型作阴极，镍作阳极，在镍电铸槽中，进行电铸镍壳，如图b所示。当电铸的镍壳足够厚（一般为2mm）后，从电铸槽中取出原型及仍与其相连的镍壳，并将它们置于清水中冲洗，然后晾干。设置共形冷却道 置冷却道于镍壳的背面，并弯曲冷却道，以便使其与注塑件的主轮廓形状共形，如图c所示。电铸铜层 将电铸的镍壳与相连的原模，以及已定位的共形冷却道，置于铜电镀槽中，进行镀铜，这样注射塑料的热量可通过镍壳与铜层，直接传至冷却道，然后通过对流
37、而排出，如图d所示。,硬 模,ExpressToolTM法快速制模技术ExpressToolTM法制模工艺流程（续）浇注背衬对原型-镍壳-铜层-冷却道构成的组合件加背衬，如图e所示。因为热量可通过镍壳-铜层有效地传至冷却道，所以，背衬材料不必是高导热材料，通常采用低熔点合金或填充铝环氧树脂，后者具有良好的抗压强度，能在24h内快速固化。当注射压力超过70MPa时，可用钢做背衬。取出原型取出原型，将制成的型腔固接于模架中，如图f所示。穿过背衬层铜层镍壳，钻推料孔。装配,硬 模,ExpressToolTM法快速制模技术ExpressToolTM工艺特点及应用热导率高镍-铜复合壳的热导率大大高于任何
38、品种的模具钢，因此，能快速冷却，且有更均匀的模温分布。易于设置共形冷却道由于能设置共形冷却道，使模具上的热点数量减少，模面的温度分布与塑料工件的收缩更均匀，诱发的应力小，工件的翘曲变形小，能缩短注塑循环周期。能提高注塑生产率采用镍-铜复合壳与共形冷却道后，与传统机加工的钢模相比，平均能提高注塑生产率约33%。电铸的镍壳精度高电铸能复制0.1m以内的原型特征，几乎可达到零均值收缩。,硬 模,ExpressToolTM法快速制模技术ExpressToolTM工艺特点及应用（续）制作周期短制作周期约为传统机加工钢模的1/31/2。抗腐蚀性能好由于模具表面为电铸镍，与传统模具钢相比，它能更好地抵抗化学
39、腐蚀。表面品质好电铸镍的组织精细，通过抛光能达到很高的光洁度，可用于成型塑料镜片。易于修补 模具表面磨损后，可再用电铸的方法进行修补。基本不受尺寸的限制,硬 模,ExpressToolTM法快速制模技术ExpressToolTM工艺特点及应用,硬 模,采用ExpressToolTM工艺制作的手机机壳体模及注塑件,用SLS方法烧结铸型采用覆膜砂作材料，烧结型壳部分，型腔部分仍为未烧结的粉末，烧结后去除这些粉末1.由CAD软件设计三维模型，并将其转化成STL格式文件，然后将三维模型切片，得到二维截面轮廓，并将其输入到高温激光制造（HTLM）系统中；2.将硅砂和硅酸盐溶液组成的混合物铺在低碳钢上，使
40、用激光对其烧结，作为基底；3.在这个基底上铺上砂粉，设置适当的烧结参数，按照二维截面轮廓。激光束选择性地烧结砂粉，这样一层一层建立模具；4.将模具渗透硅酸盐溶液，在200温度下，加热2h，以改善模具的强度、表面粗糙度和密度。为了得到有较好的表面粗糙度的模具，必须选用较细的砂粒和较薄的烧结层厚度。,硬 模,基于快速原型的喷涂法金属喷射沉积模是根据快速凝固工艺（RSP，Papid Solidification Process）来得到模具的一种方法。其特点是工艺简单，周期短，型腔及表面精细花纹一次同时形成，省去了传统模具加工中的制图、数控加工和热处理等昂贵、费时的步骤，不需机加工，模具尺寸精度高，成
41、本低。机械性能较好，生产周期短，模具寿命可达100030000件此法可制作注塑模具和冲压模具，但是为了提高制件的表面质量和机械性能需要进行时效处理，增加了制模时间。,硬 模,基于快速原型的喷涂法基本过程在快速原型件表面涂脱模剂金属喷涂：熔融的工具钢或其他合金被压入喷嘴，与高速流动的惰性气体相遇后形成雾状熔滴，它喷向并沉积到喷射在通过SLA、SLS或LOM方法制造石蜡、塑料或陶瓷原型上，复制出母样表面结构形状的金属硬壳（）移除原型，填充金属基复合材料或环氧树脂抛光金属表面，得具有精确金属面、硬背衬的铸模,硬 模,基于快速原型的喷涂法基本过程电弧喷涂是将两根待喷金属丝作为自耗性电极，利用两根金属丝
42、端部短路产生的电弧使丝材熔化，用压缩气体把已熔化的金属雾化成微滴，并使其加速，以很高的速度沉积到基体表面形成涂层。以这种金属涂层作为模具的型腔表面，背衬加固并设置相应的钢结构后就形成了简易的快速经济模具。基于RP原型的电弧喷涂制模工艺流程大致分为如下5个阶段：模型准备模型可由许多材料制成，包括木材、塑料、石膏、橡胶等。模型准备中最重要的是涂抹脱模剂。脱模剂在制模中的作用有两个：首先，它对喷涂到基体上的金属颗粒有粘结作用，否则金属颗粒将不能牢固地吸附在模具表面而易脱落；其次，防止金属涂层对模型的过热烧损、变形、粘附，起到隔热、脱模的作用。将脱模剂均匀地涂在模型表面，并使其干燥成膜。,硬 模,基于
43、快速原型的喷涂法基本过程在模型上喷涂金属待脱模剂干燥以后，在最佳的喷涂参数情况下，可以开始在模型上喷涂金属，喷涂时应保证使喷枪连续运动，防止涂层过热变形，涂层厚度一般可控制在23mm。制作模具框架如果模具在工作中要受到内压力或模具必须安装在成型机上工作，模具必须有骨架结构且制成的骨架应带有填料。模具框架制作应注意两个问题：第一，使模具框架材料与涂层材料以及填料的热膨胀性能相匹配；第二，框架的外形尺寸及注射口的选择要根据具体的注塑机型号而定。,硬 模,基于快速原型的喷涂法基本过程浇注模具的填充材料由于在塑料制品生产中，要求模具有良好的导热、散热能力，因此在选择浇注填充材料时，应使填充材料具有较高
44、的热导率和较低的凝固收缩率，同时模具在一定的温度和压力下工作，所以要求填充材料应具有较高的抗压强度和耐磨性能。一般选择的填充材料为环氧树脂与铝粉、铝颗粒等金属粉末的混合物。环氧树脂使浇注材料与喷涂壳体、模具框架有很高的结合强度，有色金属粉末可以提高模具的导热性能，为提高模具的抗磨损性能可在填料中加入铁粉，另外在浇注填充材料时可安放冷却管，加强模具的散热性能。,硬 模,基于快速原型的喷涂法基本过程脱模、后序加工处理如果在模型准备阶段做得比较合适，脱模不会很困难。脱模后要把残余在金属涂层表面的脱模剂清洗干净。然后再根据不同的需要，可以对模具进行抛光等后期制作。,硬 模,基于快速原型的喷涂法基本过程
45、,硬 模,先把模型按上、下模分型面准确地放置在底板上，并用毛刷在模型表面均匀地涂一层脱模剂(如图a所示)；待脱模剂成膜后，在模型表面开始喷涂金属，一直达到所需的涂层厚度为止(如图b所示)；把准备好的金属框架放好，框架与底板之间必须密封，这样在倒入填料时才不会泄漏，然后浇注填充材料(如图中c所示)；待浇注液固化后，将半模倒转，移去底板和可塑性材料(如图d所示)；重复a）、b）、c）、d）便可制作另一半模具(如图e、f、g所示)。,快速熔模铸造（Quickcast）金属模 结合RP技术和熔模铸造的优势，其定义为：用SLA成型的树脂件代替失蜡铸造的石油基蜡模，再根据此树脂件制造陶瓷壳体，然后进行传统
46、的失蜡铸造，得到金属模型。1、利用SLA系统上得到原型件。2、在模型上涂上一层陶瓷浆。3、在模型上涂上细的、难熔的颗粒，得到熔模铸造用的壳体4、烧去SLA模型，在SLA得到的模型上都预留有孔洞，所以将3步得到的包裹有SLA树脂件的陶瓷壳放入炉中焙烧时，其中的树脂将熔化从预留的孔洞中流出，从而得到陶瓷壳体；5、此时得到的陶瓷壳体强度很低，所以要将其转移到另一炉中烧制，得到有一定强度的陶瓷壳；6、浇注金属液到壳体；7、去除陶瓷壳，分离出金属件。,硬 模,熔模铸造,陶瓷壳砂型法母模快速成形粘贴薄层材料（如蜡片），厚度为所需陶瓷壳厚度（约3mm）母模置于砂箱中，填充砂型移除母模及粘贴材料母模置于砂型中
47、浇注陶瓷砂浆移除母模乙炔喷灯加热，固化陶瓷壳加入浇注系统，构成陶瓷壳砂型,硬 模,陶瓷壳砂型可用于浇注金属铸件或金属模；陶瓷壳砂型相对整体浇注陶瓷型，因其背衬材料为砂，加热固化时翘曲变形小，精度更高,陶瓷壳砂型法,硬 模,石墨研磨法母模快速成形填充环氧树脂和炭化硅粉，构成研磨模固化研磨模，移除母模在研磨机上，由研磨模研磨出石墨电极,硬 模,石墨研磨法,硬 模,快速成型制作的电极母模,电极研具,研磨的石墨电极,电火花加工后的连杆钢模,总结,三维造型,实物,逆向反求,CAD模型,STL格式,切片,直接切片,二维层面数据,加工路径生成,零件,模具,CAM,CNC,硅胶软模,硬 模,FDM,LOM,SLS,SLA,快速成形,铝填充环氧树脂桥模,SLA成形树脂壳硬背衬,铝粉双组分环氧树脂固化,喷涂树脂壳硬背衬,石墨研磨模（环氧树脂炭化硅固化）,铸模（陶瓷壳砂型）,铸模（金属喷涂壳硬背衬）,铸模（覆膜砂SLS烧结）,LOM、FDM快速成形,SLS快速成形（直接/间接）,
