申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：冯晓宁;王铁

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太原理工大学硕士学位论文

基于RP的快速模具制造技术研究姓名：张昌明

申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：冯晓宁;王铁

20060501

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基于ＲＰ的快速模具制造技术研究

摘要

不断加剧的市场竞争，要求企业能快速响应市场和用户的需求变化，从而促使工业生产越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展。为了加强产品在市场上的竞争力，客观上要求对作为制造各种产品的关键工艺装备一一模具的开发周期和制造成本进行控制。

基于快速原型的快速制模技术具有制模周期短、成本低、精度与寿命

又能满足生产使用要求的特点，对于中小型模具的制造，具有比较显著的综合经济效益。

快速成型技术（ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，简称ＲＰ）是２０世纪８０年代末期迅速发展起来的－－９中先进制造技术。它将计算机上可见的设计图形，迅速、准确地变成产品原型或直接制造零件，因此对缩短产品开发的周期、减少开发费用、提高市场竞争能力都具有重要的现实意义。

快速制模（ＲａｐｉｄＴｏｏｌｉｎｇ，简称ＲＴ）技术，就是将传统的制模方法（如数控加工、铸造、金属喷涂等）与快速成型制造技术相结合，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，它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型技术与传统制模技术相结合，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，对复杂的零部件还可以更为节省时间。

Ｔ

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太原理工大学硕士研究生学位论文

本文选定Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件为三维造型软件，当确定了要用于实验的零件后，用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件做出其三维模型，再用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件做出零件的模具。把各自模具文件转化为ＳＴＬ文件，再导入三维打印机中，打印出模具的原型件，烘干处理后浇铸７００。Ｃ左右的铝合金溶液，做出铸件。

本文针对目前成形材料石膏粉昂贵的问题，研制出价格相对便宜的成形材料，并且通过实验证明使用这种成形材料能够成形出原型件，

并且快速成形出的模具零件可以浇注７００。Ｃ左右的铝合金溶液，浇铸出产品。这种成形材料的成本大约降低５０％左右，对于降低教学试验和公司企业在产品开发阶段上的成本具有很大的帮助作用，同时缩短了产品的制造周期，加快了企业对市场和用户需求的响应速度。

本次实验中，选定铸件为三通管、弯管、手轮和齿轮。论文中对使用三通管进行验证所配材料的性能，最后确定出价格便宜同时使用这种材料打印出的模具能够浇铸７００。Ｃ左右的铝合金溶液的成形材料；

使用配制好的成形材料按照快速模具的制作流程，成功地浇铸出弯管、

手轮和齿轮等铸件。

关键词快速成型，快速模具，成形材料，石膏粉，氧化铝粉

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ＲＡＰＩＤＴＯＯＬＩＮＧ

ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ

ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＲＥＳＥＡＲＣＨＢＡＳＥＤ０ＮＲＰＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

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ｍａｒｋｅｔａｎｄｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎｔｏｃｏｎｓｕｍｅｒａｒｅｎｅｅｄｅｄｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｍａｋｅｓ

ｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｕｒｎ ^ｔｏｍｕｌｔｉ－ｖａｒｉｅｔｙ，ｓｍａｌｌ．ｂａｔｃｈ，ｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙａｎｄ

ｌｏｗ—ｃｏｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｍｏｄｅ．Ｆｏｒｍｏｒｅｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓｉｎｔｈｅ

ｍａｒｋｅｔ，ｋｅｙｔｅｃｈｎｉｃｓｆｕｍｉｓｈｍｅｎｔ—ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｓｔｗｈｉｃｈｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｅｖｅｒｙｐｒｏｄｕｃｔｎｅｅｄ ^ｔｏｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｉｍｐｅｒｓｏｎａｌｌｙ

Ｒａｐｉｄｔｏｏｌｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄ ^ｏｎｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｈａｓ

ｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｓｈｏｒｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｙｃｌｅａｎｄｌｏｗｃｏｓｔ，ｇｏｏｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄ

ｌｏｎｇｌｉｆｅ ^ａｓｗｅｌｌ，ｗｈｉｃｈｈａｓｏｂｖｉｏｕｓｅｃｏｎｏｍｙｂｅｎｅｆｉｔｓｉｎｔｈｅｍｅｄｉｕｍａｎｄ

ｓｍａｌｌｔｏｏｌｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ

ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｒａｐｉｄｌｙｉｎ８０．２０ｔｈｃｅｎｔｕｒｙ

ａｓｏｎｅｏｆａｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＲＰｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ^ｃａｎｍａｋｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｇｒａｐｈｉｃｓｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｉｎｔｏｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ^ｏｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐａｒｔｓｄｉｒｅｃｔｌｙ，ＳＯｉｔｈａｓｂｅｅｎｔｈｅｃｏｇｅｎｔｍｅａｎｓ ^ｔｏｓｈｏｒｔｅｎ

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奎堕里三盔兰堡主堑壅生兰堡垒茎

ｐｒｏｄｕｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅｓ，ｒｅｄｕｃｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｓｔｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｒ

ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｎｅｓｓ ^ｏｎｔｈｅｍａｒｋｅｔａｎｄｉｓｏｆｇｒｅａｔｒｅａｌｉｓｔｉｃｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｒａｐｉｄ

ｔｏｏｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｔｈａｔｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｏｏｌｉｎｇ

ｍｅｔｈｏｄｓ（ｓｕｃｈ

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ｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｃａｓｔｉｎｇ，ｍｅｔａｌ

ｓｐｒａｙｉｎｇ，ｅｔｃ．）ｗｉｔｈ

ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ^ｔｏｅｎａｂｌｅＡｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｙｃｌｅｓｈｏｒｔ，ｌｏｗ。ｃｏｓｔ，

ｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｃｏｎｏｍｉｃｗｅｌｌｉｎｔｏｏｌｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｌｏｎｇｅｖｉｔｙ ^ｔｏｍｅｅｔ

ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｓｉｎｇｔｈｅＡｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

ｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｃｏｍｅａｍｏｄｅｍ_{ｐｏｗｅｒｆｕｌ} ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎ

ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ

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ｏｔｈｅｒｗｏｒｄｓ，ｒａｐｉｄｔｏｏｌｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ^ｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ

ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｏｏｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｓｈａｐｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇ

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ｃｙｃｌｅ．Ｆｒｏｍｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｒａｐｉｄｔｏｏｌｉｎｇ^ｔｏｆｉｎｉｓｈｅｄｔｏｏｌｉｎｇ，ｒａｐｉｄ

ｔｏｏｌｉｎｇｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｄ ^ｃｏｓｔａｂｏｕｔｏｎｅｔｈｉｒｄｔｏｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｏｏｌｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅＰｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓｏｆｔｗａｒｅ

ｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｎｄｔｈｅｎｃａｓｔｉｎｇｓ ^ｔｏｂｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ^ａｒｅ

ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ．ＵｓｉｎｇＰｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓｏｆｔｗａｒｅｄｒａｗｓｃａｓｔｉｎｇｓ’ｔｈｒｅｅ。ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ

ｓｃｕｌｐｔｓａｎｄｔｈｅｎｄｅｓｉｇｎｔｈｏｓｅｃａｓｔｉｎｇｓ’ｍｏｕｌｄｗｉｔｈｔｈｅｍｏｕｌｄｄｅｓｉｇｎ

ｍｏｄｕｌｅｏｆＰｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｎｄｔｈｅｎｇｅｔｔｈｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｍｏｕｌｄｆｉｌｅｓ

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ｐｒｉｎｔｅｒａｎｄｐｒｉｎｔｔｈｏｓｅｍｏｕｌｄｓ’ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓａｎｄａｆｔｅｒｒｏａｓｔｉｎｇｄｉｓｐｏｓａｌｐｏｕｒ

ａｌｕｍｉｎｕｍｓｏｌｕｔｉｏｎａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆａｂｏｕｔ７００。Ｃ ^ｔｏｇｅｔｃａｓｔｉｎｇｓ

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——一奎堕望三奎堂堡主堑窒生堂垡笙奎

ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｃｈｅａｐｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｗｈｉｃｈ

ｍａｔｅｒｉａｌｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｐｒｉｎｔｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｂｙ ^ｔｅｓｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｒａｐｉｄ

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ｔｏｏｌｉｎｇ，ｆｏｒｍｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ，ｐｌａｓｔｅｒ

ｐｏｗｄｅｒ，ａｌｕｍｉｎａｐｏｗｄｅｒ

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声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，

独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：凝逝蔓 ^日期：

论文作者签名：报趔蔓 ^日期： ^{知以．ｊ－．爿}

关于学位论文使用权的说明

本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；

⑨学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的。

复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）ｏ

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１．１选题依据

１１１课题的提出

第一章绪论

产品的制造离不开模具，而模具的设计、制造是一个多环节、多反复的复杂过程。

传统的模具制造要用到车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工方法，才能得到所需的模具形状和尺寸…。要设计和制造出一副合格的模具，往往需要经过由设计、加工到试模的多次反复，因此模具制作成本高、周期长，而且精度不易保证，有时甚至造成模具的报废。

当前，随着人类进入信息时代和全球化统一市场的形成，企业间的竞争愈来愈激烈，产品更新的周期越来越短，对产品的质量要求也越来越高，传统模具生产已很难适应当前的形势”１。快速原型制造（Ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，简称ＲＰ）技术是２０世纪８０年代后期发展

起来的一种高新制造技术，它将现代计算机技术、激光加工技术及新材料技术集于一体，

其原理是根据对三维ＣＡＤ电子模型进行分层切片处理，得到一系列的二维截面轮郭，然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料，得到一层层的产品截面并逐步

叠加成三维实体。ＲＰ技术摒弃了传统机械加工的材料“去除”加工法，而采用全新的材

料“增长”加工法，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。目前，这一新技

术在工业发达国家中已被应用于航空航天、汽车制造、医疗器械以及家电等行业中，其

中汽车制造业中应用所占的比例最大，约占２５％左右。随着近年来ＲＰ技术迅速发展，出

现了一个新领域一快速模具制造（ＲａｐｉｄＴｏｏｌｉｎｇ，简称ＲＴ）。ＲＴ采用ＲＰ技术直接或间接

制造模具，只需传统加工方法的１０～３０％ｉＥ时和２０～３５％的成本，既大大提高了新产品的研制速度，又节省了新产品试制和模具制造的费用，因此，该技术一问世便得到人们的高度重视，成为企业提高竞争力的有力手段‘”。

模具是现代工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备，在某些产品（如塑料件）的批量化成形加工中，模具成形甚至是唯一的加工工艺。模具在成形工艺中对成形件尺寸、

形状精度和内在质量具有重要作用。

传统的机械加工方法制造的模具具有高投入、长工期、长寿命的特点，对于大、中批量生产，模具的这种高投入可由其长寿命加以补偿。２０世纪８０年代以来，随着市场竞争的日趋加剧，要求企业必须能快速响应市场和用户的需求，促使工业产品的生产模

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奎堕望三查兰堡主堑壅生堂垡笙苎

式由传统的大、中批量向具有灵活、易变性和快速反应能力的中、小批量转变。在这种

条件下，传统的模具制造方法由于其自身固有的生产周期长、投入风险高、产品改进困难等缺点，在一定程度上成为企业在市场竞争中发挥活力的制约因素…。

针对传统的机械加工模具制造技术的上述缺点，近年来研究开发了适用于新产品、

样机试制和中、小批量规模生产的基于快速原型技术的快速模具技术。快速模具的基本

技术特征是非机械加工型腔复制，其关键技术之一是母模原型件的设计与制造。传统的

快速制模一般采用己有制件或机加工件作为母模，对于较复杂的和精度要求较高的快速模具，传统的母模设计制造模式显得束手无策，己成为制约快速模具制造技术发展的瓶

颈。基于快速原型制造的快速模具技术集成快速原型制造高新技术和传统的非机械加工型腔复制技术，发挥各自优势，巳成为产品快速更新换代和新产品开发及中、小批量生产的有效手段之一。

随着计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，快速原型及快速制模技术如虎添翼，应用范围不断扩大，类型不断增多。快速制模技术与传统的机械加工相比，具有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满足生产使用要求的特点，可以迅速响应市场和用户需求的变化，加快产品投放市场的速度，对于形状比较复杂的中小型模具，具有

比较显著的综合经济效益。

在快速制模技术中，制造出尺寸精度比较高的快速原型是前提，但大部分快速成

型得到的原型因材质和成型工艺的限制，不能直接作为模具使用。只有解决好快速原型

向模具的转化，并且保证工艺转换过程中尺寸精度的保持，才能真正实现模具的快速经济制造…’。

本文“基于快速原型的快速模具制造技术的研究”正是在这种背景下提出的。

１．２国内外研究动态

快速成型技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维物体的思想雏形，最早出现在制造技术并不发达的１９世纪。早在１８９２年，Ｂｌａｎｔｈｅｒ主张用分层方法制作三维地图模型。１９７９年东京大学的中川威雄教授，利用分层技术制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。光刻技术的发展对现代ＲＰ技术的出现起到了催化作用”。。

２０世纪７０年代末到８０年代初期，美国３Ｍ公司的ＡｌａｎＪ．Ｈｅｂｅｒｔ（１９７８年）、日本的小玉秀男（１９８０年）、美国ＵＶＰ公司的ＣｈａｒｌｅｓＷ．Ｈｕｌｌ（１９８２年）和日本的丸谷洋二（１９８３年），在不同的地点各自独立的提出了ＲＰ的概念，既利用连续层的选区固化

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奎堕望三盔堂堡圭堑窒生兰垡笙塞

产生三维实体的新思想。Ｃｈａｒｌｅｓ

ｗ．Ｈｕ］ｌ在ＵＶＰ的继续支持下，完成了一个能自动建

造零件的称之为ＳｔｅｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＡｐｐａｒａｔｕｓ（ＳＬＡ）的完整系统ｓＬＡ—ｌ，１９８６年该系统获得专利，这是ＲＰ发展的一个里程碑。同年，Ｃｈａｒｌｅｓ

ｗ．Ｈｕｌｌ和ＵＶＰ的股东们一起

建立了３Ｄ

Ｓｙｓｔｅｍ公司，随后许多关于快速成型的概念和技术在３ＤＳｙｓｔｅｍ公司中发展

成熟。与此同时，其它的成型原理及相应的成型机也相继开发成功。１９８４年ＭｉｃｈａｅｌＦｅｙｇｉｆｌ提出了Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ^{Ｌａｓｅｒ}Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ（ＳＬＳ）的意思，稍后组建了ＤＴＭ公司，于１９９２年开发了基于ＳＩ。ｓ的商业成形机（Ｓｉｎｔｅｒｓｔａｔｉｏｎ）。ＳｃｏｔｔＣｒｕｍｐ在１９８８年提出了基于

ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ（ＦＤＭ）的思想，１９９２年开发了第一台商业机型３Ｄ－－Ｍｏｄｅｌｅｒ。

自从８０年代中期ｓＩ．Ａ成型技术发展以来到９０年代后期，出现了几种不同的快速成型技

术，除前述几种外，典型的还有３ＤＰ，ＳＤＭ，ＳＯＣ等。但是，ＳＬＡ，ＬＯＭ，ＳＬＳ，ＦＤＭ和３ＤＰ五种技术，目前仍然是快速成型技术的主流”３。

ＲＰ技术在世界上正式出现并获得了迅猛的发展，表现出极强的生命力。美国在该技

术领域一直处于领先地位，日本和欧洲等工业发达国家都投入了大量资金进行研究与开

发。１９９８年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上，美国、日本、德国、

新加坡等国都展出了ＲＰ设备。目前全世界己有２０００多台ＲＰ系统投入使用。据报道，

世界上快速制造服务中心发展很快，己由１９９２年刚开始出现时的４２家猛增到１９９６年

的２８４家，现在又有新的增长。由于ＲＴ显著的经济效益，近年来国外工业界对ＲＴ的研

究投入了大量的人力和资金，迄今为止全球已有３００多家ＲＴ服务机构，因而促进了这一技术的快速发展和应用”’。

在世界科技发达的国家，ＲＰ＋ＲＴ技术得到了迅猛发展，并取得了显著成果。日本的中川威雄及其合作者采用等离子喷涂（熔射）技术，在ＲＰ原型或过渡模型上，喷涂高温合金材料形成金属型壳，移去母模后，在金属形壳背面进行金属补铸，形成硬背衬，经处理制造获得模具。可以获得高熔点金属涂层，例如不锈钢涂层，这样制得的模具表面硬度高、表面质量好、经济耐用、制作简单，使用寿命更是大大超过金属冷喷模具。

美国的Ｉｄａｈｏ国家工程与环境实验室（Ｉｄａｈｏ ^{Ｎａｔｉｏｎａｌ} ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ．ＩＮＥＥＬ）一种ＲＳＰ（ＲａｐｉｄＳｏｌｉｄｉｆｉｅａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ）快速制模技术。它的原理是采用普通的工具合金（如Ｐ２０，Ｈ１３与Ｄ２工具钢或其它合金）的粉末，通过沉积技术在ＲＰ原型的表面形成一层具有足够厚度的沉积层。在增压的作用下，

熔融金属液体进入喷头，在高速气体的带动下，金属微粒甚至可以以增原子的方式沉积

在表面上，这样便能够把ＲＰ原型表面极细微的特征复制下来。表面光洁度可以达到３ｍ，

每小时的沉积率为２２７ｋｇ／ｈｒ。适用于此项工艺的材料不仅包括金属，而且包括陶瓷、聚

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奎堕垄三奎堂堡主堑窒圭堂垡坠墨

合物等各类材料”１。

ＱｕｊｃｋＣａｓｔｊｎｇ是美国３ＤＳｙｓｔｅｍｓ公司推出的一种工艺。它利用立体光刻（ＳＬＡ）工

艺获得零件／模具的半中空ＲＰ原型，然后在原型的外表面挂浆，得到一定厚度和粒度的陶瓷壳层，紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉ＳＬＡ半中空原型，得到中空

的陶瓷型壳，即可用于精密铸造。浇铸后得到的金属模具还要进行必要的机加工，使得其表面质量和尺寸精度达到要求。该方法的优点是用ＳＬＡ原型代替原来精密铸造中的蜡

型，从而大大提高铸造原型的精度，并且大大加快制造速度。该公司还推出了一种粉末冶金快速模具工艺，这种工艺称作３ＤＫｅｌｔｏｏｌ。它的制作过程为：首先用ＳＬＡ原型翻制出硅胶模作为中间转换模，然后将混有树脂粘结剂的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后取出得到模具生坯件，通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构（约３０％孑Ｌ隙率）的模具熟坯件，最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度，通过简单机加工进一步保证模具的精度（可达ｏ．０４ｍｍ），即得Ｅｅｌｔｏｏｌ模具。

近年来，ＲＰ技术在我国得到快速发展，许多高校、院所进行了积极的研究。例如我国西安交通大学承担了国家“十五”攻关项目 “基于快速成型的金属喷涂大型模具快速制造集成系统”和国家８６３计划项目“面向产品开发的快速模具制造集成技术及设备”。主要任务是通过技术攻关，形成以快速原型技术和金属电弧喷涂技术为核心的模具快速制造集成系统，并在企业内建立应用示范，已经取得成功。本成果在西安交通大学、中国一拖集团模具厂建立了应用试验基地。已经为比亚迪汽车公司、长安汽车公司、

一拖集团等企业提供技术服务，同时通过一拖集团模具公司实现了成果转化，初步形成产业化规模。一拖集团模具厂在成功应用本成果技术实现其新型收割机覆盖件冲压模具制造基础上，正着手将本成果技术应用到其新型重型卡车驾驶室模具的开发中去，希望以金属喷涂模具取代钢模具完成中小批量生产任务”…。

我国在快速成型机的研制方面也取得很大的成绩，例如陕西恒通智能机器有限公司自１９９７年开发并销售出国内首台光固化快速成型机ＬＰＳ６００以来，已经开发出气体、固体激光快速成型机、紫外光快速成型机、真空注型机等７种型号１０余个规格的快速成型与模具制造设备以及９种型号的配套光敏树脂。稳居国内快速成型领域领先地位。

１．３论文研究的主要内容

本文针对美国ＺＣｏｒｐ公司生产的三维打印机ＺＰｒｉｎｔｅｒ３１０成形材料价格昂贵，快速原型制件和快速模具成本高的问题，为了降低成形材料成本，拟寻求在特定粘结剂情况

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奎垦堡三奎堂堡主堡塞生兰鱼堡墨

下，使用替代成形材料以满足快速原型制件和快速模具成形要求，并进一步用于浇铸

７００℃铝合金，成形出铸件。

本文选定四个零件，使用三维造型软件Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ做出四个零件的模型，再利用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件的模具设计模块做出这四个零件的模具图，模具文件格式转化为三维打印机可识别的ＳＴＬ格式，打印出各自模具的快速原型件。烘干处理后，装配模具，浇注７００℃铝合金，做出铸件产品。

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太原理工大学硕士研究生学位论文

第二章快速成型与快速模具制造技术概述

２．１快速成型技术

快速成型制造（ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，简称ＲＰＭ）是２０世纪８０年代末期迅速发展起来的一种先进制造技术。它将在计算机上可见的设计图形，迅速、准确地变成产品原型或直接制造零件，因此对缩短产品开发的周期、减少开发费用、提高市场竞争能力都具有重要的现实意义”１。ＲＰＭ技术是将计算机技术、ＣＡＤ、机械工程、

数控技术、检测技术、激光技术和材料科学等集合为一体的高新技术，十几年来，该技术在国内外得到了迅速的发展，并将成为２１世纪制造业的重要组成部分”１。

２．１

１快速成型技术的基本成型原理及特点

任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向迭加而成，因此可利用分层切片软件，将计算机产生的三维ＣＡＤ实体模型处理成一系列薄截面层，并根据备截面层形成的二维数据，控制材料在工作台上一层一层地生成二维轮廓，用粘贴、烧结、聚合作用或化学反应等手段，逐层地固化液体（或粘结固体）材料，从而快速堆积制作出所要求形状的零部件（或模型）。１。其基本原理与成形过程如图２一ｌ所示。

传统的制造方法基于材料去除概念，先利用ＣＡＤ技术作出零件的三维图形，通过ＣＡＭ的一个后处理模块仿真加工过程，所有的要求均满足之后，形成Ｎｃ文件在数控机床上加工成形。快速原型制造技术ＲＰＭ突破了传统加工中的金属成型（如锻、冲、拉伸、铸、

注塑加工）和切削成形的工艺方法，是一种“使材料生长而不是去除材料的制造过程”，

其制造过程的主要特点是：

（１）新的加工概念。ＲＰＭ采用材料累加的概念，让材料生长而非去除，因此，加工过程无需刀具、模具和工装夹具，且材料利用率极高；

（２）突破了零件几何形状复杂程度的限制，成形迅速，制造出的零件或模型是具有一定功能的三维实体；

６

(14)

分解过程计算机中信息处理

组合过程成型机中堆积成型

图２—１快速成型基本原理图

Ｆｉｇ２－１ｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ

（３）越过了ＣＡＰＰ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＰｒｏｃｅｓｓＰｌａｎｎｉｎｇ）过程，实现了ＣＡＤ／ＣＡＭ的无缝连接：

（４）高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变ＣＡＤ模型，重新调整和设臀参数即可。

（５）制造费用低。其制造周期一般为传统的数控切削方法的１／３～１／２，而成本仅为其ｌ／５～１／３，模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著““”１。

２１２快速成型技术的几种典型工艺

２１．２．１光固化立体造型技术ＳＬＡ（ＳｔｅｒｅｏＩｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＡｐｐａｒａｔｕｓ）

光固化立体造型技术ＳＬＡ也称为光造型或立体光刻，ＳＬＡ技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理的。这种方法是最早出现、应用最为广泛的一种快速原型技术，它的工作过程为：工作槽中盛满液态光敏树脂（在一定波长的光的照射下发生固化），升降工作台上附带有导轨和刮扳。当成形开始时，先在工作台上铺一层设定层厚的液态树脂，光

源在计算机的控制下按本截面轮廓要求，作横向和纵向扫描，使轮廓内的树脂固化。工

７

(15)

查堕望三盔堂堡主堑塞笙堂堡垒壅

作台下降，在上一层的基础上再铺上另一层树脂，导轨带动刮板运动刮平树脂，然后光源再纵横向扫描固化树脂，新固化的一层就牢固地粘接在先前固化的一层上，如此重复直到整个原型成形完毕。图２—２为ＳＬＡ工作原理图。为降低成本，美国和日本研制采

用紫外光光源取代激光光源。如果将陶瓷粉或金属粉加入到液态树脂中，固化出原型，

高温烧掉树脂聚合物后，就可以得到陶瓷或金属制件，这也是目前前沿研究的内容之一

‘１３］

肇

图２—２ＳＬＡ原理工艺图

Ｆｉｇ２－２ＳＬＡｐｒｉｎｃｉｐｌｅｔｅｃｈｎｉｃｓ

图２—３ＦＤＭ成型原理图

Ｆｉｇ２－３ＦＤＭｍｏｌｄｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ２１．２２熔融沉积造型技术ＦＤＭ（ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅＩｉｎｇ）

在计算机的控制下，加热喷头根据截面轮廓的信息，作平面运动和高度方向运动，

加热熔化的丝材（如塑料丝、尼龙等）就被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓，一层完成后进行下一层的涂覆，循环得到三维产品。图２—３为ＦＤＭ成型原理图。按照它的成形机理，理论上任何可熔化的材料都可用。目前使用的是蜡、尼龙、

塑料等材料，人们现在在研究将金属和陶瓷等材料应用到这种方法中，用陶瓷或金属粉末（不锈钢、黄铜、铝、铁等）分别加上聚合物粘接剂，成型后高温烧掉聚合物，就可

Ｒ

(16)

以得到制件。为了提高速度和精度，在路径的生成方式、喷头在平面内的运动速度和材料的进给速度等方面都有待于进一步研究”０１。

２．１２３选择性激光烧结ＳＬＳ“４１（ＳｅＩｅｃｔｅｄ ^{Ｌａｓｅｒ} Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）

激光束在计算机控制下，按照截面轮廓的信息，对轮廓实心部分所在的粉末（塑料粉或陶瓷粉或金属粉与粘接剂的混合粉）进行烧结，一层完成以后，再烧结另一层，逐步得到各层轮廓，最后得到三维产品，如图２—４所示。ＳＬＳ法可以采用一般聚合物、

非晶态聚合物、金属、陶瓷等多种材料粉末。为了消除内应力，有些机器采用了双激光束，一束高能量的用来烧结粉末材料，一束较发散的用来加热固化后的区域以减小热应

力㈣。

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图２～４ＳＬＳ快速成型原理图

Ｆｉｇ２－４ＳＬＳｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

２１２．４分层实体制造ＬＯＭ（Ｌａｍｉ ^ｈａｔｅＯｂｊｅｃｔｅｄ ^{Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ}ｉｎｇ）

这种工艺方法是根据产品三维模型各截面的轮廓，在计算机的控制下，激光逐层地对涂胶的薄形材料进行扫描，将各层之间粘接起来，并对轮廓进行切割，最终得到产品，

如图２—５所示。这种方法使用的材料目前商用的主要只有纸，其它的材料如塑料、陶瓷、金属等目前正处于研究阶段“”。

襁啦斛；ｆ，

图２—５分层实体制造（ＬＯＭ）快速成型系统原理图

Ｆｉ９２－５ＬＯＭｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

９

(17)

查堕望王奎堂堡圭堑壅生堂垡堡茎

２１．２．５气相沉积成型技术ＬＶＤ（ＬａｓｅｒＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）

它是用高能量激光的热能或光能分解～种活性气体。这种活性气体在激光的作用下会发生分解，沉积出一种材料的薄层，从而进行逐层制造，通过改变活性气体的成分和温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件，包括成型陶瓷和金属零件””。

２１．２６三维打印成型技术（３ＤＰ－ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉ０１１Ｐｒｉｎｔｅｒ）

三维打印成型技术简称３ＤＰ，称为３ＤＰ打印机，是目前世界上成型速度最快的快速成型机，成型速度比其它的成型技术快５～１０倍，价位低，耗材便宜”“…。

３ＤＰ技术是美国麻省理工学院发明并申请专利的，由ＺＣＯＲＰ公司进行商业化。该项技术自１９９４年发明并逐步走向市场后在近几年内呈飞速发展趋势。这种成型工艺的原理是将粉末由储粉桶送出一定份量，再以滚筒将送出的粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，喷嘴依照３Ｄ电脑模型切片后获得的二维片层信息喷出粘结剂，粘结粉末，做完一层，加工平台自动下降一点，储粉桶上升一点，刮刀由升高了的储粉桶把粉末推至工作平台，并把粉末推平，再喷粘结剂，如此循环可得到所要的形状。图２—６为３ＤＰ成型过程原理图５”’。

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图２～６３ＤＰ成型过程原理图

Ｆｉｇ２－６３ＤＰｍｏｕｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

常用的立体打印材料是石膏粉、淀粉及氧化铝粉，也有其它材料可供选用，如弹性塑料等。

ＺＣｏｒｐ公司三维打印机介绍如下：

ＺＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ的三维成型机可帮助提高设计过程的进度和效率并优化产品质量。

】０

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此造型机是一种配套的专业化实体造型解决方案，可制作彩色部件并以此与他人进行交

流。除此之外，此造型机还具有快捷、便利和操作简单等特点，使得以加速设计过程，

使产品先于竞争对手投放市场。

速度在产品的设计和生产过程中是最值得关注的要素。ＺＣｏｒｐ公司的三维造型机～

般只需Ｉ一２个小时就可完成原型部件制作，因此有利于及时得到反馈并据此作出决策。

过程速度的提高使得在产品设计和销售方面取得更大的竞争优势。同时彩色成型系统可为工程技术人员的设计过程提供一个更明朗的窗口。颜色可传达有关部件的重要信息，

包括工程数据、标签、突显文字和外观仿真等。这一功能为设计人员提供了在整个设计

过程中更有效地发挥其创造力和合作精神所需的数据。共有３种三维打印机。

Ｉ）ＺＰｒｊｎｔｅｒ３１０系统

ｚＰｒｉｎｔｅｒ３１０系统可在几个小时之内直接从计算机数据创建实体模型。该系统作业速度快、通用性强而且操作简单，允许工程师创建多种概念模型和功能测试部件，不仅快捷而且成本低，图２—７为３１０系统。

图２—７Ｚｐｒｉｎｔｅｒ３１０系统图２—８ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０系统

Ｆｉｇ２－７Ｚｐｒｉｎｔｅｒ３１０ｓｙｓｔｅｍＦｉ９２－８ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０ｓｙｓｔｅｍ

２）ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０系统

ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０全彩色系统具有高清晰度、全彩色成型快捷和成本低的特点。超级

喷墨成型技术使用完美的功能、更佳的精确度以及逼真的色彩创建部件，使得设计人员

可以制作并评估已接近完成状态设计概念的实体模型。快捷的高清晰度三维成型模型接

近实际的样品。这种独特的２４位颜色、三维成型制作的彩色模型能精确地反映最初的设计数据。彩色模型比其他类型的样品更有利于进行信息交流，使设计人员在产品开发

战略中抢占先机，如图２—８所示为５１０系统。

３）Ｚ８１０系统

ｚ８１０系统是一种可为设计审核、造型仿真、密实度测试和铸造造型创建外观原型的最快捷及最便宜的途径。系统大的作业能力使设计人员得以制作实际大小的概念模型，

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奎堕墨三盔兰堡主堕壅竺堂垡笙茎

有利于更有效地与营销人员、生产人员、客户和供应商等进行交流。Ｚ８１０系统的颜色

功能可准确地体现设计理念以及ＦＥＡ和其他工程数据，有助于进一步加强交流。实体模型可采用石膏或淀粉基材料制作，也可通过渗透处理以制作多属性材料部件，因此可满足广泛的造型需要，图２—９为８１０系统。表２—１列出了这三种三维打印机的性能指

标对比。…。

图２—９Ｚ８１０系统

Ｆｉｇ２－９Ｚ８１０ｓｙｓｔｅｍ

表２—１规格比较

Ｔａｂｌｅ２－１ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

ＺＰｒｉｎｔｅｒ３１０ＺＰｒｉｎｔｅｒ５１０成型ＺＰｒｉｎｔｅｒ８１０成型机

系统机

作业能力２０３ ^Ｘ２５４Ｘ１０９毫米 ^２５ ^ｘ ^３５６ｘ２０３毫米 ^５０ ^Ｘ ^６００ ^ｘ４００毫米层厚０．０８９一Ｏ．２０３毫米 ^{０．０８９一Ｏ} ２０３毫米０．０８９—０．２０３毫米

彩色否彩色彩色

机身尺寸７４Ｘ８１ｘ１０９毫米 ^１０７ ^ｘ７９Ｘ１２７毫米 ^{２４１ｘｌ}１４ｘ１９３毫米

机身净重１１３公斤２０４公斤５６５公斤

打印文件格 ^ＳＴＬＳＴＬ．ＶＲＭＬ．ＰＬＹ和ＳＴＬ，ＶＲＭＬ，ＰＬＹ和ＳＦＸ

乩ＳＦＸ

ｌ材料选项高性能复合材料、弹性高性能复合材料、高性能复合材料、弹性伸缩材料、直接铸造材直接铸造材料伸缩材料、直接铸造材

料、熔模铸造材料料、熔模铸造材料

三维打印机特点”…：

１）速度快：Ｚｃｏｒｐ系统是世界上速度最快的三维成型机，几秒钟就可以打印一层，

因此，完成一个手持式部件的成型作业任务只需１—２小时。

２）彩色：ＺＣｏｒｐ公司的ＺＰｒｉｎｔｅｒ５１０和ＺＰｒＪｎｔｅｒ８１０三维成型机可使用全色２４位

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奎堕望三奎堂堡主堑塞生兰垡笙奎

调色板制作部件，从而可提供多色的部件原型。这一功能为设计人员提供了在整个设计过程中更有效地发挥其创造力和合作精神所需的数据，颜色可用来交流重要信息，包括

工程数据、标签、突显文字和外观仿真等。

３）简单：ＺＣｏｒｐ与办公设备兼容，可直接安装于办公室内使用，因此可消除指定专

职技术人员的必要性。ＺＣｏｒｐ系统基于开发用于喷墨打印机的标准的、市场有售的部件

而制造，因此是一套可靠的、值得信赖的三维成形机。

４）通用：各公司在其设计过程的每一步都采用ＺＣｏｒｐ系统制做部件，用于交流、

设计审查和功能测试。

２．１３’陕速原型制造技术的应用

虽然快速成型技术问世时间不长，但由于它对制造业带来的巨大效益，使得这一技术的应用日益广泛。据有关统计资料显示，从１９９６年至２００１年间，全世界的快速成型

机的拥有量己从２２４３台增加到７５７７台，快速成型机与成型服务的总产值已从４．２１亿

美元增加到６．０１亿美元。美国、日本及德国、英国和法国等，对快速成型的应用非常重视，已经取得了明显的效果。欧洲国家为了加速快速成型技术的研究、开发与应用，

在１９９２年成立了合作组织…一Ｅｕｒｏｐｅａｎ

^{Ａｃｔｉｏｎ} ｉｎＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ（简称ＥＡＲＰ），

该组织现已拥有６０多个成员，进行了许多卓有成效的工作。中国有关快速成型技术的研究与开发起步于２０世纪９０年代初期，经过近十年的努力，不仅引进、自行研制了一批先进的快速成型机，而且在其应用上取得了可喜的进展。

归纳起来，快速成型技术的应用可分为工业领域和医疗领域两方面，图２一ｌＯ为快速成型技术的应用示意图。

快速成型件

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图２—１０快速成型技术的应用

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ｌ瞅；薹型一

(21)

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其中，工业领域的应用有以下几个方面。

１）又快、又省地制造产品原型，以便进行设计校核。

用快速成型机直接制造产品原型，一般只需传统加工方法的３０％～５０％工时、２０

％～３５％成本，如图２—１１所示。这种原型与最终产品相比，虽然在材质方面可能有所差别，但在形状及尺寸方面几乎完全相同，经过适当地表面处理后，看起来与真实产品一模一样。因此，它可供设计者和用户进行直接观测、评判、优化，可用以摄制产品照

片，并可迅速实现反复修改、制作，直到最大限度地满足用户地要求。

２）产品性能的及时、准确测试与分析。

用快速成形机直接制作地产品原型，可在零件级和部件级水平上，用于加工工艺性能、装配性能、有关工模具的校验与分析，以及运动特性测试、风洞实验、有限元分析结果的实体表达等。

３）又快、又省的制作模具。

由于快速成形技术与新材料的迅速发展，出现了一个新领域一快速模具制造（ＲＴ）。

ＲＴ用ＲＰ技术直接或间接制作模具，能使模具的制造时间和成本大大降低。

成本

２０％～３Ｓ％

０３０％～５０％１００％

图２—１１快速成形技术的效益

Ｆｉｇ２－¨ｂｅｎｅｆｉｔｏｆｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

４）基于逆向工程的快速原型技术。

基于逆向工程的快速原型技术也就是ＲＥ＋ＲＰ，ＣＡＤ模型来自于实物或样件模型，通过数字化扫描和三维重建获得。能够根据多种数据来源（三维测量、图像、ＣＴ等）重构出

实物的ＣＡＤ模型，然后转换成ＳＴＬ文件，在完全仿制的情况下，也可以不建立ＣＡＤ模型，

由测量数据直接生成ＳＴＬ文件。图２一１２给出了工作流程。

】４

(22)

图２—１２逆向工程快速原型流程

Ｆｉｇ２－１２ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂａｓｅｄ^{ｏｎｒｅｖｅｒｓｅ} ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ＲＰ技术出现的十余年来，己在广泛的领域中得到应用并显示出它的优越性。此项技

术不仅己应用在机械、汽车、航空航天、电子等制造业，而且己在医疗、艺术和建筑等

行业中发挥了它的作用，并取得了显著的效果。

２１４快速成形材料

材料是快速成型技术发展的核心和关键技术，它直接影响到原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。与快速原型设备发展相适应，快速原型材料技术也日益成熟，目前许多材料公司也加入到快速原型材料的研究开发当中，材料性能正向高性能、系列化方向发展“…。

２１．４１快速成形材料的分类

不同的快速成型方法要求使用与其成型工艺相适应的不同性能的材料，成型材料的

分类与快速成型方法及材料的物理状态、化学性能密切相关。

１）按材料的物理状态分类可以分为液体材料、粉末材料、丝状材料等。

２）按材料的化学性能分类可以分为树脂类材料、石蜡材料、金属材料、陶瓷材料及

其复合材料等。

３）按材料成型方法分类可以分为：ＳＬＡ材料、ＬＯＭ材料、ＳＬ￥材料、ＦＤＭ材料等

常用的快速原型材料分类见表２—２…１。

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太原理工大学硕士研究生学位论文表２—２常用的快速原型材料分类

材料形状液态固态粉末固态片材固态丝材

非金属金属

材料名称光固化树脂蜡粉、塑金属粉、纸、塑料＋黏结蜡丝、ＡＢＳ丝料粉、覆覆膜金属剂、陶瓷箔＋黏等

膜陶瓷粉粉结剂、金属箔＋

等黏结剂等

ｌ成型方法

^ＳＩ。Ａ ^ＳＬＳ ^ＬＯＭ ^ＦＤＭ

２１４．２・陕速原型工艺对材料性能的要求快速原型工艺对材料的总体要求如下…１。

１）有利于快速精确地加工原型零件。

２）当原型直接用作制件、模具时，原型的力学性能和物理、化学性能（强度、刚度、

热稳定性、导热性、导电性、／ＪＵＴ性等）要满足使用要求。

３）当原型间接使用时，其性能要有利于后续处理工艺。

与ＲＰ制造的四大目标（概念型、测试型、模具型、功能零件）相适应，对原型材料的要求也不同。概念型对材料成形精度和物理、化学特性要求不高，主要要求成形速度快。如对光固化树脂，要求有较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的黏度。

测试型对于材料成形后的强度、刚度、耐温性、抗腐蚀性等有一定的要求，以满足测试要求；如果用于装配测试，则对于材料成形的精度还有一定的要求。模具原型要求材料适应具体模具制造要求，如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除。功能零件则要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从解决的方法看，一个是研究专用材料以适应

专门需要；另一个是根据用途，研究几类通用材料以适应多种需要。

２

２快速成形技术存在的问题及发展趋势

２２．１存在的主要问题

快速成形技术当前的研究主要包括ＣＡＤ数据的准备。新型成型工艺的开发和已有工艺的完善、ＲＰ＆Ｍ自动化设备的研制与提高以及应用范围的扩大等，其中发展新型的、先进的快速成形工艺是核心。“”。

１６

(24)

ＲＰ＆Ｍ仍处于幼年时期，多数快速成型系统所制造得实体模型还不能用于实际工作零件，主要是由于材料及成本方面得限制。目前ＲＰ＆Ｍ系统所面临得主要问题包括。“１：

（１）材料问题

目前ＲＰ＆Ｍ成形材料的成形性能大多不太理想，成形件的物理性能不能满足功能性、

半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发才能生产令人满意的产品。而由于材料技术开发的专门性，一般ＲＰ＆Ｍ成形材料的价格较昂贵，造成生产成本提高。而这次作者实验的主要内容就是配置比较便宜的成形材料，所配置的材料在价格上大大降低，为快速成形和快速模具制作的成本降低起到很好的推动作用。

（２）软件、成形精度和质量问题

随着ＲＰ＆Ｍ技术的发展，ＲＰ＆Ｍ技术软件的问题越来越突出，ＲＰ＆Ｍ系统软件不但是实现离散／堆积成形的重要环节，对成形速度，成形精度，零件表面质量等方面都有很大的影响。目前ＲＰ＆Ｍ成形件的精度及表面质量大多不能满足工程实际需要，不能作为功能性零件，而只能做原型使用，进行新产品开发及功能测试等。为提高成形件的精度和表面质量，必须改进成形工艺和ＲＰ＆Ｍ软件。

（３）应用问题

ＲＰ＆Ｍ技术是综合计算机、激光、新材料、ＣＡＤ／ＣＡＭ等技术而形成的一种全新的制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以目前的ＲＰ＆Ｍ设备价格昂贵，限制了ＲＰ＆Ｍ技术的推广使用。

２．２．２发展趋势

ｆ１）大力改善快速成形系统的成形精度、制作精度和可靠性，开发不同用途、不同档次的机型。

（２）开发快速成形的高性能软件，提高数据处理速度和精度。

（３）研究开发新的快速成形方法，进行工艺的改进和创新。积极探索ＲＰ＆Ｍ技术和其它先进的设计及制造技术相集成的途径，研究开发复合快速成形新工艺，最终创造集成开速成形制造系统。

（４）开发性能更好的快速成型新材料。

（５）研究具有特定电、磁学性能的剃度功能材料的制造。

（６）直接ＲＰ＆Ｍ的金属模具制作。即采用ＲＰ＆Ｍ方法无需转换技术的直接制作金属模具的方法。

（７）继续研究快速制模和快速制造技术。一方面研究开发ＲＰ＆Ｍ制作的表面处理技

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查堕堡三盔兰堡主竺壅圭堂垡笙壅

术，提高表面质量和耐久性；另一方面要研究开发与住宿技术、精密制造技术、特种加工技术相结合的新途径和新工艺，快速经济的制造金属模具、金属零件和塑料件。

（８）高性能光敏材料的研制。改善高性能材料、提高制件之间的稳定性是一个重

要课题。近年来，人们找到了可以直接对金属粉末或陶瓷材料粉末进行烧结成形的技术，

这样对提高制件的强度，减少对制件的后处理有很大益处。

（９）应用范围扩大。通过对现有ＲＰ＆Ｍ系统的改进很新材料的开发，使之能够经济的生产出直接可用的模具、工业产品和民用消费品：制造人造器官，用于治疗疾病。

随着ＲＰ＆Ｍ技术的持续发展，ＲＰ＆Ｍ技术的应用已从单一的原型制造向功能零件制造、

快速模具制造和快速制造的方向发展。这也是国际上ＲＰ＆Ｍ技术发展与应用的一个热点和趋势ｊ。～。“。

２．３快速模具制造技术

２３１实现快速制模的意义

快速制模是寻求更快、更好地开发新产品地一种强有力手段。现在和将来，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。

１０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个月完成开发、大批量生产和销售工作。目前，扩大快速制模的应用范围可能还存在一些问题，

但是，快速制模进一步更大范围的应用，必将成为一种强大的、有益的新产品开发工具

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２３２传统制模方法

通常，生产用模具由锻造钢坯或铝坯经机械加工（车、铣、刨、钻、磨、镗和电火花加工等）而成，砂型铸造模型虽然可以用木材制作，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，精度与表面质量要求比较高，所以加工周期长，成本高。

需要指出的是，由于计算机数控（ｇＮｇ）多坐标加工机床、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，但是至今为止，

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到每件产品上的

１８

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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，一旦设计有些变动，原有模具难以修改，几乎不得不重新制作。快速切削制模需要２～４周时间。所以，必须寻求

快速模具制造的新方法”…。

２３．３快速制模技术

快速制模（ＲａｐｉｄＴｏｏｌｉｎｇ，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）与快速成型制造技术相结合，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，

它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型技术与传统制模技术相结合，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］／３左右“…。

２．３．４快速模具原型制造技术

在快速原型技术领域中，目前发展最迅速、产值增长最明显的是快速模具（ＲａｐｉｄＴｏｏ］ｉｎｇ，Ｒ，ｒ）技术。２０００年５月，在法国巴黎举行的全球快速原型协会联盟（ＧＡＲＰＡ）

最高峰会议上，这一点得到了普遍的认同。传统模具制造的方法很多，如数控铣削加工、

成形磨削、电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸；ｏ口－ｒ、压力加工和照相腐蚀等。由于这些工艺复杂、加工周期长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速

度。而传统的快速模具（例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂模具等）因其工艺粗糙、

精度低、寿命短，很难完全满足用户的要求。因此，应用快速原型技术制造快速模具，

在最终生产模具开模之前进行新产品试制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，有效地缩短开发时间和节约开发费用，使快速模具技术具有很好的发展条件。

由于市场需求旺盛，许多公司研制出快速模具新工艺、新设备，并且取得了良好的经济

效益。由于这些技术中高新技术的含量高，并且涉及到许多科技领域，解决了以前难以

解决甚至认为是不可能解决的技术难题，所以得到了广泛的关注。据不完全统计，在１９９９年，包括快速模具在内的快速原型二级市场的年增长率达到３４．６％，产值达到５亿多美元。而且这种增长是在几年之内都保持了两位数增长的基础上取得的。

快速原型＋快速模具技术提供了一条从模具的ＣＡＤ模型直接制造模具的新的概念和方法，它将模具的概念设计和加工工艺集成在一个ＣＡＤ／ＣＡＭ系统内，为并行工程的应用创造了良好的条件。快速模具技术采用快速原型早期、多回路、快速信息反馈的设计与

】９

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奎堕望三盔兰堡主婴窒生堂焦笙塞

制造方法，结合各种计算机模拟与分析手段，形成了一整套全新的模具设计与制造系统。

快速模具技术能够解决大量传统加工方法（如切削加工）难以解决甚至不能解决的问题，

可以获得一般切削加工不能获得的复杂形状，可以根据ＣＡＤ模型无需数控切削加工直接

将复杂的型腔曲面制造出来。从模具的概念设计到制造完毕仅为传统加工方法所需时间的１／３左右，使模具制造在提高质量、缩短研制周期、提高制造柔性等方面取得了明显的效果。利用快速原型技术制造快速模具可以分为直接模具制造与间接模具制造两大类。有２０多种快速模具工艺已经在工业生产实际中得到应用，正在接受市场的考验。

基于快速原型技术的各种不同快速模具技术如图２—１３所示”…。

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图２—１３不同快速模具技术

Ｆｉｇ２－１３ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｐｉｄｔｏｏｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

２３．４．１用快速原型间接制造模具

用快速原型制母模，浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，可构成软模具。

例如，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，因此特别适合用来复制模具。用这种合成材料制造注射模，其模具使用寿命可达５０～５０００件。

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用室温固化硅橡胶制作注射模时，寿命一般仅为１０～２５件。采用硫化硅橡胶模做低熔点合金铸造时，模具寿命～般为２００～５００件。几种常用简易模具的性价参数见表２—３。

表２—３几种简易模具的相对成本与寿命

模具类型相对制造成本制造周期／周模具寿命／次

硅胶模 ^５ ^２ ^３０

金属树脂模 ^９４～５ ^３０００

电弧热喷模 ^２５ ^６～７ ^１０００

镍蒸发沉淀模 ^３０ ^６～７ ^５０００

全金属模具 ^６０ ^{１５～２５} ８～１８万次

１）硅橡胶制模

（１）硅橡胶制模制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅橡胶模具

具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，制作周期短，制件质量高，因而备受关注。由于零件的形

状尺寸不同，对硅橡胶模具的强度大小要求也不一样，因而制模方法也有所不同。

（２）硅橡胶模具的特点：硅橡胶具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率。用该材料制造弹性模具简单易行，无需特殊的技术及设备，只需数小时在室温下即可制成。

硅橡胶模具能经受重复使用和粗劣操作，能保持制件原型和批量生产产品的精密公差，

并能直接加工出形状复杂的零件，免去铣削和打磨加工等工序，而且脱模十分容易，大大缩短产品的试制周期，同时模具修改也很方便。此外，由于硅橡胶模具具有很好的弹性，对凸凹部分浇注成型后也可直接取出，这是它的独特之处。

（３）基于ＲＰ原型的硅橡胶模具制作工艺流程

图２—１４硅橡胶模快速制作工艺流程图

Ｆｉｇ２－１４ｓｉｌｉｃｏｎｌａｔｅｘｔｏｏｌｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｏｃｅｓｓ

２）电弧喷涂快速制模技术

以原型为样模，将熔点的熔化金属充分雾化后以一定的速度喷射到样模表面，形成

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模具型腔表面，背衬充填复合材料，用填充铝的环氧树脂或硅橡胶支撑，将壳与原型分

离，得到精密的模具，并加入浇注系统和冷却系统等，连同模架构成注射模具。其特点是工艺简单、周期短；型腔及其表面精细花纹一次同时形成；省去了传统加工模具中的制图、数控加工和热处理等昂贵、费时的步骤，不需要机加工；模具尺寸精度高，缩短了周期，节约了成本。

３）化学粘结陶瓷浇注型腔模具

其工艺过程为：用快速原型系统制作母模一浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模一移去母模，在软模中浇注化学粘结陶瓷（ＣＢＣ，陶瓷基合成材料）型腔一在２０５。Ｃ下固化ＣＢＣ型腔一型腔表面抛光～加入浇注系统和冷却系统等一小批量生产

用注射模。这种化学粘结陶瓷型腔的寿命约为３００件。

４）树脂型复合模具

这种方法是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料，然后以原型为基准浇注模具，也称桥模（Ｂｒｉｄｇｅ^Ｔｏｏｌｉｎｇ），通常可直接进行注塑生产。工艺过程为：

制作原型一表面处理一表面设计、制作模框～选择、设计分型面一在原型表面、分型面刷脱模剂一刷胶衣树脂一浇注凹模。当凹模制造完成后，倒置，同样需要在原型表面及

分型面上均匀涂脱模剂和胶衣树脂，分开模具。在常温下浇注的模具，一般在ｌ～２天基本固化定型，即能分模。与传统注塑模相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅模高。瑞士的Ｃｉｂａ精细化工公司开发了树脂模具系列材料ＣｉｂａＴｏｏｌ。

５）硅胶一陶瓷型橡胶模

将ＲＰ原型翻制成的硅胶模，通过涂层转移获得精密陶瓷型，浇铸铸铝或黑色金属。

快速精密铸造模具

采用快速精密铸造的方式得到快速模具有许多方法。ＱｕｉｃｋＣａｓｔｉｎｇ是美国３ＤＳｙｓｔｅｍｓ公司推出的一种工艺。它利用立体光刻（ＳＬＡ）工艺获得零件／模具的半中空ＲＰ原型，然后在原型的外表面挂浆，得到有一定厚度和粒度的陶瓷层，它紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉ＳＬＡ半中空原型。得到中空的陶瓷型壳，既可用于精密铸造。浇铸后得到的金属模具还要进行必要的机加工，使得其表面质量和尺寸精度达到要求。该方法的优点是用ＳＬＡ原型代替原来精密铸造中的蜡型，大大提高铸造原型的精度，大大加快制造速度。

６）粉末冶金快速模具

美国３ＤＳｙｓｔｅｍｓ公司还推出了一种粉末冶金快速模具工艺，这种工艺称作３Ｄ

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Ｋｅｌｔｏｏｌ。它的制作过程为：首先用ＳＬＡ原型翻制出硅胶模作为中间转换模；然后将用

树脂粘结剂混合的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后得到模具生坯件；通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构（约３０％孑Ｌ隙率）的模具熟坯件；最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度；通过简单机加工进一步保证模具的精度（可达０．００４ｍｍ），即得Ｋｅｌｔｏｏｌ模具。该模具７０％为钢，３０％为铜，其特性与Ｐ２０工具钢模类似，

可以承受２０～２５Ｋｐａ的压力和６５℃的高温。

２３４．２用快速原型直接制造模具

直接快速模具制造指的是利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度

“。目前能够直接制造技术模具的快速原型工艺包括激光选区烧结（ＳＬＳ）、三维印刷

（３ＤＰ）、形状沉积制造（ＳＤＭ）和三维焊接（３ＤＷｅｌｄｉｎｇ）等。直接快速模具制造环节

简单，能够比较充分地发挥快速原型技术的优势，特别是与计算机技术密切结合，快速

完成模具制造，对于那些需要复杂形状的内流道冷却的注塑模具，采用直接ＲＴ有着其他办法不能代替的独特优势”…。例如，ＬＯＭ制成的纸基原型，其性能接近木模，经表面处理后可直接用于砂型铸造，合适复杂形状的中小批量铸件生产。ＳＬＡ可以直接制造的真空注射模，适用于成形过程温度低于６０。Ｃ的塑料零件。利用ＳＬＡ和ＦＤＭ快速原型技术还可直接制作压铸模，用于小批量失蜡铸造的蜡模压制。

几种典型直接制模方法：

【）三维打印（３Ｄ—Ｐ）

采用３Ｄ—Ｐ工艺直接打印出模具，模具经过烘烤处理，然后装配好模具进行浇铸。

铸出铸件。（详细过程见第三章）

２）ＺＣＡＳ，Ｉ’直接金属铸造技术““…

ＺＣＡＳＴ是由ＺＣｏｒｐ公司实施使用陶瓷粉末打印出模具及别的元件，让用户直接给模具内浇注金属液的一个新工艺过程。其中陶瓷粉末成分有氧化铝粉、石膏粉、砂子等。

ＺＣＡＳＴ工艺和砂铸的铸造工艺一样，但是生产一个零件仅需要几天而不是几周。ＺＣＡＳＴ的用户以ＣＡＤ产品形式做出上下模以及型心和壳子，然后用ＺＣｏｒｐ公司的３维打印机打印出模具。模具一旦做好就可以装配和浇注金属液了。从制作零件图、打印和浇注金属到铸造出零件生产周期可以少到２天。如图２一１５和图２—１６所示。

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申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：冯晓宁;王铁

太原理工大学 硕士学位论文

基于RP的快速模具制造技术研究 姓名：张昌明