浅谈快速原型制造技术在快速模具制造中的应用

摘 要：简要介绍了快速原型制造技术（RPM）的原理以及几种主要的工艺技术的特点，分析了RPM技术如何应用于快速模具制造技术（RT）。

关键词：快速模具制造技术（RT）；快速原型制造技术（RPM）；应用

中图分类号：TH16 文献标识码：A

近年来制造业发生很大的变化，快速响应和快速占领市场已经成为国际研究的热点，人们越来越重视开发快速经济模具。快速模具制造技术不需要数控铣削、电火花加工和专用工装，可以直接根据原型制造复杂的模具型腔，而原型则需要用快速原型制造技术来制作。快速原型制造技术（RPM）是一种基于“分层制造、逐层叠加”的原理而发展起来的一种先进制造技术。制造业为满足日益变化的个性化市场需求，又要求制造业有较强的灵活性，从而导致了新产品开发周期的缩短，直接限制了样件的制作时间。在这种社会背景下，快速原型制造技术于20世纪80年代末在美国问世，很快完成数种RPM工艺技术的研究、开发与商业化过程。目前，全球有数百家公司从事快速原型制造技术（RPM）的开发、商品化生产和技术服务工作。我国在20世纪90年代初进入RPM领域，西安交通大学的机械制造系统工程实验室是我国最早的快速制造实验室，清华大学、华中科技大学、南京航空航天大学等多家单位对RPM技术、材料及其设备进行了大量的研究。RPM技术是近20a来制造领域的一项重大突破，被称为“第三次工业革命”。

1 RPM技术原理

RPM技术是随着CAD/CAM技术、计算机数控技术、激光技术、材料科学与工程技术的发展而发展的，而今它同信息技术、虚拟技术一起成为为实施产品设计技术和工艺过程技术集成创新的“前所未有的理想工具”。RPM技术集中了CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光技术于一体，从零件设计到三维实体原型制造的过程中采用软件离散—材料堆积的原理实现零件的成型过程。其原理如下图所示：

1.1 建立零件的CAD数据模型

在设计过程中可以应用各种三维CAD造型系统，包括Solidworks、UG、Pro/E等软件进行三维实体造型，将所构思的零件概念模型转换为三维CAD数据模型。或者不需要三维实体造型系统，通过三坐标测量仪、激光扫描仪对三维实体进行反求，获得三维数据，并按照此数据建立起实体的CAD模型。

1.2 转换数据生成文件

将CAD数据模型转换成STL、IGES等格式的文件，这种格式的文件是可以被快速成型系统软件所接受的数据文件。

1.3 分层进行切片

应用快速成型系统软件将三维实体沿给定的方向切成一个个二维薄片，薄片的厚度可以根据快速成型系统制造精度，在0.05～0.5mm之间选择。

1.4 快速堆积成型

利用片材、液体、丝材或者粉末等材料，根据切片的轮廓和厚度要求，制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完成三维形体原型的制备。

1.5 后处理

为改善制件的性能，往往需要进行后处理，比如在纸质制件的表面覆盖一层金属，以提高制作表面的机械强度、耐磨性和防潮性。

2 RPM典型的工艺方法

2.1 激光立体造型法

SLA又称为立体光刻工艺法，是用紫外激光按切片软件截取的层面轮廓信息对液态光敏树脂逐点扫描，聚焦后的激光束或紫外线光电在液面下按计算机指令由点到线、由线到面的逐点扫描，被扫描区的液态树脂发生聚合反应形成一薄层的固态实体。一层固化完毕后工作台下移一个切片厚度再固化新的一层树脂，并层层相互粘结堆积出1个三维固体制件。该工艺可成型任意复杂的三维实体零件，仿真性强，成形精度和材料利用率高。

2.2 选取片层黏结法LOM也称为分层实体制造工艺，是RPM中常用的一种，它以纸类箔材为原料，适合制作多形尺寸较大的实心零件，主要运用激光切割的方法获得一层层根据零件外形轮廓切割的薄片粘结成零件原形。这种技术工作周期短、可靠性强，非常适合制造体积大、无空腔、外形复杂的零件原型，适合于航天、汽车等行业中零件较大的制件。

2.3 选择性激光烧结法

SLS是控制红外激光按分层轮廓信息以一定速度和能量密度对已均匀地铺在加工平面上的粉末（塑料、蜡、覆膜陶瓷或金属及其复合物粉末）材料进行扫描，激光扫描所到之处粉末被烧结成固体片层（未扫描到的地方仍是可对后一层进行支撑的松散粉末）。其后，确定加工平面高度的成形活塞下移一个片层厚度，而供粉活塞则相应上移，铺粉滚筒再次将加工平面上的粉末铺平，激光再烧结出新一层轮廓并粘结于前一层上，如此反复便堆积出三维实体制件。该工艺造型速度快、精度高、原型强度强。

2.4 熔丝沉积成形法

FDM工艺使用像二维平面绘图仪的装置，用喷嘴挤出一束非常细的热熔丝来堆积成软件所给的二维切片薄层，一层一层进行最后成型。该方法成型速度快，适合成形小塑料件，可用的材料有蜡、尼龙、塑料。

3 RPM在快速模具制造中的应用

快速模具制造技术（RT）与传统的制造技术相比，可节省1/3的时间和成本。RT技术包括间接制模和直接制模，可根据产品的规格、性能要求、精度需要、成本控制等来选择合适的技术路线。

硅橡胶浇铸法是以RPM原型为母模，采用硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶软模。

树脂浇注法是以液态环氧树脂作为基体材料，将RPM原型进行表面处理并涂洒脱模剂，选择设计分型面，进行环氧树脂浇注，取出原型后，便得到所需的软质模具。此类方法适合于注塑模、吸塑膜等模具。

精密铸造陶瓷型模具是利用RPM原型复制硅橡胶环氧树脂软模，移去母模原型，利用软模浇注或喷涂陶瓷浆料并硬化，浇注金属形成金属模，在金属模型腔表面抛光斗加入浇注系统和冷却系统，可批量生产用注塑模具。

借助于快速原型制造技术（RPM）和快速模具制造技术（RT），缩短模具的制作周期，缩短产品的上市周期，提高产品的市场竞争能力，增加企业的核心竞争力，利用快速原型制造技术改进传统的模具制造业大有作为。快速原型制造技术（RPM）为技术人员之间，以及技术人员与企业决策者、产品的用户等非技术人员之间提供了一个更加形象、完整、方便的工程交流工具。用RPM技术快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货以及企业的决策等，非常有利于早找错早修改早优化，从而大大提高了新产品开发的一次成功率，缩短了开发周期，降低了研发成本。RPM技术有力地支持了同步工程的实施，可为制造业企业带来不可估量的收益。

参考文献

[1] 陆素梅.先进制造技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.

[2] 王鹏，祁文军，左小刚.基于快速原型技术的快速模具的理论与应用[J].轻工机械，2007，25（2）.

作者简介：闫红蕾（1981-），女，汉，山东省淄博人，硕士研究生职称，讲师，研究方向：机电工程。