基于RP的快速模具制造技术

2008-03-27 10:14:03 来源:模具网   
核心摘要:关键字: 快速成形;快速模具;硅胶模;铝填充环氧树脂模 摘要: 快速制模是更快、更经济地开发新产品的一种强有力手段,可以采用客户所希望的材料来制造零件,大幅度缩短零件的交货时间,降低新产品开发风险。 快速成形(Rapid PrototypingRP)技术诞生于20世纪80年代
关键字:快速成形;快速模具;硅胶模;铝填充环氧树脂模

  摘要:快速制模是更快、更经济地开发新产品的一种强有力手段,可以采用客户所希望的材料来制造零件,大幅度缩短零件的交货时间,降低新产品开发风险。

快速成形(Rapid Prototyping——RP)技术诞生于20世纪80年代初,是近20多年制造技术领域的一次重大突破,它利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想,变原来的“减法制造”为“加法制造”。为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段,自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的快速工件或直接制造零件或模具,有效地缩短了产品的研发周期,是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。虽然快速成形技术问世不久,高价位系统售价、运行和维护费用昂贵,但它给制造业带来了巨大效益。根据Wohlers公司2005年报告,2004年快速成形产品和服务的全球收入达到70520亿美元,1988~2004年16年间平均以32%的速度递增。
快速成形将CAD/CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体,不必采用传统的加工机床,建立产品样品或模具的时间和成本只有传统加工方法的10%~30%和20%~35%。常用以下几种RP成形工艺制作快速工件作为制造快速模具的母模:
1)液态光敏树脂选择性固化(Stereolithography Apparatus-SLA),采用激光束在液态光敏树脂的表层进行扫描使之固化来逐层成形;
2)粉末材料选择性激光烧结(Selective Laser Sintering-SLS),是采用激光束对粉末状的材料进行分层扫描,将粉末烧结成形;
3)薄层材料选择性切割(Laminated Object Manufacturing-LOM),采用激光逐层切割薄材(纸或金属箔)的轮廓;
4)丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Modeling-FDM),把丝状热熔性材料加热熔融,通过喷嘴的喷头挤出,逐层沉积成形;
5)三维打印成形(Three Dimensional Printing-3DP),是采用液滴喷射沉积或液滴喷射粘接粉末的方式,逐层将材料粘接后堆积而成。三维打印成形设备已经占到全世界销售的快速成形设备中的30.7%,且增长迅速,这也反映了快速成形技术的发展趋势。
1  实现快速制模的意义
模具工业是制造业的基础,尤其在今天以知识为驱动的全球化经济浪潮中,由于激烈的市场竞争,模具工业的内涵、深度和广度都发生着深刻的变化,各种新的模具设计、制造加工方法不断出现。而快速模具制造以其突出的优点,解决了传统模具制造方法与市场要求的矛盾。快速模具自制造在发达国家如美国、英国、德国和日本等,取得了明显的经济效益,在工业、医学、军事、汽车和航空航天等领域已经得到了广泛的应用。
快速制模是寻求更快、更好地开发新产品的一种强有力手段。现在或将来,使用快速制模,采用客户所希望的材料来制造零件,都可以大幅度减少零件的交货时间。例如,20年前,开发一辆新汽车,大约需要60个月的时间,使用快速制模技术,则仅需要18个月或更短的时间,电子产品的开发周期已经降至不到一年,而玩具制造业,则在9个月内完成开发、大批量生产和销售工作。目前,快速制模进一步扩大其应用的范围,是一种强大的、有益的新产品开发工具。
2  传统制模技术
采用传统制模方法制造生产用模具是由锻造钢坯或铝坯经机械加工(车、铣、刨、钻、磨、镗与电火花加工等)而成,砂型铸造模型虽然可用木材制作,但是仍需机械加工。由于模具上常常有一些复杂的特征与自由表面,精度与光洁度要求比较高,所以加工周期长,成本高。
应该指出的是,由于计算机数字控制(CNC)多座标加工机床、加工中心、柔性单元与柔性系统,以及高速切削等先进技术的发展,能使模具加工的周期缩短,但至今为止,每道工序的工艺并无重大改变,仍然存在调整时间长、复杂刀具轨迹的自动生成困难、成本高等许多问题。当产品的生产批量较小时,模具的制作工时与成本分摊在每件产品上的数值更大,上述问题尤为突出。机加工模具的另一个问题是,这种模具的柔性比较差,一旦设计有些改变,原有模具难于修改,几乎不得不重新制作。快速切削制模也需要2~4周时间。所以,必须寻求快速模具制造的新方法。
3  快速制模技术
快速制模(Rapid Tooling,简称RT)技术,就是将传统的制模方法(如数控加工、铸造、金属喷涂、硅胶模等)与快速成形制造技术相结合,使得模具制造周期短、成本低、综合经济效益好,在模具的精度和寿命方面能满足生产使用要求的模具制造技术,已成为现代模具制造的强有力手段。换言之,快速模具制造工艺的特点在于快速成形技术与传统制模技术相互结合,互相补充,使模具的设计和制造周期缩短。从模具的概念设计到出模,快速制模一般是传统模具加工方法所需时间的1/3左右。

由于快速成形是由CAD数据形成的,因此,可以将各种后续工艺与CAD数据组成一个闭环制造系统,如图1,不断测量快速工件制造误差、模具制造误差、零件误差,对CAD数据进行修正,以便最终获得精确的成形零件。近年来,快速成形制造技术的研究重点也已转向快速零件/快速模具制造。

按照模具所能成形的工件数量,模具可分为:试制用模具和正式批量生产用模具,以及介于两者之间的过渡模具(Bridge tooling)。在塑料成形业中,一般正式批量生产用模具的寿命为103~106,过渡模具的寿命为10~103。

快速制模方法有两种:间接法和直接法。间接制模的过程需要先制造一个母模(一般由快速成形系统建立),由这样的母模产生模具的型芯。直接制模法则是采用快速成形系统直接建立模具的型芯,而不需要其它中间过程。限于篇幅,下面以间接制模法快速制造软模和桥模作具体讨论。

3.1  软模(soft tooling)

软模是一种试制用模具,可以用来制作过渡模具或批量生产用模具,最常用的是硅橡胶模具,全世界几百家快速服务中心半数以上都可以提供这种模具。用SLA、FDM、LOM、SLS和3DP等技术制作的快速工件,再翻成硅橡胶模具后,向模中灌注双组份的聚氨酯,固化后即得到所需的零件。调整双组份聚氨酯的构成比例,可使得到的聚氨酯零件的机械性能接近ABS或PP。硅橡胶模具有许多优点:制作周期短,一般根据CAD文件,在一周内可以提供硅橡胶模具,以及用此模具成形的第一个聚氨酯(polyurethane)工件,这与传统环氧树脂组合模或铝合金模注塑相比,开发周期只有原来的十分之一;成本低,软模的制作费用要比传统模具制作的费用低得多;复印性能好,可良好地翻印母模上的细小特征,基本上无尺寸精度损失;弹性好,传统的钢模或铝模,需要加工拔模斜度,以便工件成形后顺利脱模,特别对有小凹槽的工件更是如此,而硅橡胶模具具有足够的弹性,不必设置拔模斜度,工件就能脱模,大大简化模具设计。#p#分页标题#e#

真空浇铸RTV硅橡胶软模技术是利用产品的快速工件(如:快速成形件、样件、手板),在真空状态下,使用真空注型机制作出硅胶模具,并在真空状态下采用PU材料进行浇注,从而克隆出与产品快速工件相同的复制件。真空浇铸技术可应用于改变产品快速工件的材质、组装样机或进行产品小批量生产等方面,以满足产品开发过程中的性能测试、市场推广以及送检、审批等需求。真空注型机是快速成形技术中的一种重要设备,设备可生成高达100kPa的真空。由于注型过程在真空室内进行,使浇注出的产品内无气泡、没有疏松。可制作形状很复杂、厚度小于0.5~1mm、用其它方法难以制作的产品。广泛用于汽车、摩托车、家电、电子电器、玩具等塑料件的制作。采用的PU材料主要来自美国、法国、日本,材料的流动性好,易于填充。通过选用不同的PU材料,可以复制橡胶零件、透明零件、耐高温零件等,且复制件的特性接近于ABS、PP材料,可满足客户多方面的需求。快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产,使新产品上市时间大大提前,迅速占领市场。

对于表面具有细微几何形状以及倒扣的零件,若制造硬模具,通常会涉及模芯和滑块的制作,不仅周期长、费用高,模具也较笨重。软模制造技术为此提供了一条较好的解决途径。利用快速工件制作RTV(Room Temperature Vulcanizing rubber)硅胶模的工艺过程如图2。待硅胶固化后取出硅胶,并用刀具沿分型面划开硅胶,取出其中快速工件,形成硅胶模。利用RTV硅胶模在真空状态下采用PU材料进行浇注就能够克隆出与快速工件完全相同的复制件。
3.2  桥模(bridge tooling)
桥模通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比,成本只有传统方法的1/3,生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模,但比硅胶模高得多,可达1000~5000件,可满足中小批量生产的需要。瑞士的Ciba精细化工公司开发了树脂模具系列材料CibaTool。快速过渡模主要有以下6种:铝填充的环氧树脂模;SLA成形的树脂壳—铝填充的环氧树脂背衬模;SLS直接烧结低碳钢——渗铜模;低熔点金属模;三维打印——渗铜模;纤维增强聚合物压制模。下面对铝填充的环氧树脂模作具体讨论。
铝填充环氧树脂(Composite Aluminum-Filled Epoxy——CAFÉ)模,是利用快速成形的母模,在室温下浇铸铝基复合材料——铝填充的环氧树脂而形成的模具。一般CAFE模可用于注塑20~500件工程热塑料工件。这种制模方法快速、经济,适用于多种树脂。但与钢模相比,CAFE模的相对强度不高,承受不太高的夹紧和注射压力。它的制作过程如下:
1)制作母模与分型板:CAFÉ模一般直接由正母模(即形状与最终零件相同,而尺寸考虑了材料收缩率)产生,此母模可用快速成形系统或CNC加工制作,见图3(a);
2)在母模表面涂覆一薄层脱模剂;
3)将母模与分型板放置在型框中,见图3(b);
4)在型框中靠近母模处,设置冷却管(铜管);
5)预混精细研磨铝粉、双组份热固性环氧树脂,并在真空中排气,去除气泡;
6)在真空状态下,将CAFÉ模用的材料浇于母模的外面,并使其固化;
7)将母模与完全固化的CAFÉ模倒置,见图3(c),拆除分型板,在母模反面与先前固化的CAFE模上涂覆脱模剂,重复上述过程;
8)12小时后,第二部分CAFÉ模已完全固化,也即型腔(见图3(d))与型芯(见图3(e))为彼此分离的两部分,然后移去母模;
9)用定位销把型芯与型腔对准,在要求位置钻推料孔,安装推料板与推料杆,连接冷却管,最后将整个装配件置于标准模架中,见图3(f),这样就得到了一副铝填充环氧树脂模具。
4  结论
快速制模解决方案虽然大幅度减少模具制造周期和费用,为新产品开发、单件或中小批量制造功能性零件提供一条有效的新途径,但根据美国Accelerated Technologies公司的调查结果,机加工的模具在使用质量上明显比快速模具优越,因为快速模具在模具寿命、精度、表面粗糙度、树脂选择、模具结构、零件尺寸等许多方面都有一定限制。如室温硫化硅橡胶模具存在导热性能差、寿命短(成形10~30个工件)、不能成形功能性工件、不能用热注射工艺成形工件等缺点。因此,当强调使用模具生产零件的能力强弱时,大多数情况下还是会选择使用传统方法制作模具。
随着对快速成形材料研究以及快速成形工艺的发展,快速工件的性能有了较大改进。对于一些中小批量零件和低温成形零件,可直接用快速工件作母模、浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料、形成的软模具来真空浇注。有些金属与环氧树脂的混合材料在室温下呈胶体状,能在室温下浇注和固化,用这种合成材料制造的注射模,其模具使用寿命可达1000~5000件。另外,用快速工件作母模或软模具与熔模铸造、陶瓷型精密铸造、电铸、金属喷涂等传统工艺结合,可制成硬模具,能批量生产塑料件或金属件。硬模具通常具有较好的机械加工性能,可进行局部切削加工,以获得更高的精度,并可镶入嵌块、冷却部件和浇道等,性能接近切削金属方法制造的模具,有关这方面的内容可以参考其它文献。
参考文献
[1] 王运赣.快速模具制作及其应用.华中科技大学出版社,2003
[2] 刘光富 李爱平.快速成形与快速制模技术.同济大学出版社,2004
[3] Peter D Hilton,Paul F Jacobs. Rapid Tooling:Technologies and Industrial Application. New York: Marcel Dekker ,Inc.,2000 (http://www.newmaker.com)
[4]王广春.快速成型与快速模具制造技术及其应用.机械工业出版社,2004
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