基于增材制造技术快速模具制造研究进展

(整期优先)网络出版时间:2023-03-22
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基于增材制造技术快速模具制造研究进展

马水平

河源理工学校   广东河源   517000

摘要:增材制造,也称为三维印刷,是以离散堆叠为基础,以其灵活、快速等优点为基础的数字化生产技术,已成为当前研究的热点。利用增材制造技术制造模具,不仅降低了生产成本,缩短了生产周期,而且能够迅速满足用户的个性化要求。

关键词:模具;快速;制造技术;增材;研究进展

当前的模具加工方法主要是利用机械加工、特种加工等方法来除去多余的坯料来制作模具。采用常规方法生产的模具精度高,表面质量好,不同的模具材料选择不同的模具,以达到不同的强度、刚度、硬度和使用寿命的需要,但由于其柔性差、成本高、周期长,难以满足新的需要,特别是对产品的个性化需求。因此,以增材为基础的快速成型工艺(RT)应运而生。这种工艺与传统的减料工艺不同,其具有较低的模具成本(约为传统工艺的三分之一)、较短的生产周期(主要由产品大小决定)、能够对市场的需要,特别是对产品的个性化要求做出迅速的反应。快速模具制造技术对于提高我国模具制造业的生产水平和迅速适应市场有着十分重要的作用。

一、间接快速模具制造技术

间接快速软模技术在国内外已有较长的时间和较成熟的研究。目前已有研究人员采用熔融淀积技术对样件进行成形,再以此样件间接加工硅胶软模,并以此为基础对多个塑料制品进行模压成型,但其模具寿命有限,其精度和表面品质受到样件加工精度和表面质量的影响。在此基础上,已有研究者以 RE为基础,通过选择激光烧结技术,对样件进行成型,然后再用此样机生产硅胶快速模具,但是, SLS样件的质量对模具的质量有很大的影响。目前,已有学者对硅橡胶模具进行了研究,发现硅橡胶快速模具只能成形少量的塑料制品,其成形材料和模具使用寿命受到限制,而模具的外观质量也受到了很大的影响。采用正交实验方法,对采用熔融沉积成型、光固化成型和喷射成型成型成型的硅橡胶模进行了对比研究。

与传统的模具相比,硅胶模具虽然具有效率高、成本低等优点,但是,模具精度和表面质量受到样机零件的影响,尺寸精度低,表面粗糙,而且硅胶模具属于软材质,使用寿命短,只能进行一次小型的产品加工。由于硅胶模具使用寿命较短,因此采用硅橡胶模具来制作具有较高硬度的模具,如环氧树脂的复合模具。在此基础上,利用增材成型的模具可以生产石膏模具、汽车模具、磁性粉末金属模具、电弧喷涂模具、金属喷涂模具等。相对于传统的模具工艺,采用间接快速成型工艺,可以节省50%的生产时间和生产费用。

为进一步提高模具的精确度和使用寿命,采用了部分金属材质的间接快速模具。在这些方法中,较为典型的是采用金属喷塑间接制模,例如电弧喷涂制模,其基本原理是先用加材加工法将工件的样件成形,再对样件进行后加工,再在样件上喷上金属,去掉样件,这样就形成了一个金属材料的模具,再在壳体的后部填充加固材料,再将强化材料安装在模架上,这样就形成了一个快速的模具。

二、直接快速模具制造技术

由于模具的加工过程比较复杂,模具的加工精度和表面质量受到过渡模具的精度、材料性质、环境温度等因素的影响,模具的精度和表面质量难以控制,模具使用寿命短。直接快速模具技术是一种从加材生产中直接生产模具的技术。目前已有学者将铁粉与尼龙粉末混合而成的金属丝通过熔化淀积成形注模成形,制成70LDPE塑料和35ABS塑料制品。该方法可实现 FDM的直接、快捷,同时,模具的制作周期和生产成本得到了减少,但是模具寿命短,模件的精确度低,产品的质量也不高。已有学者利用感光树脂进行 SLA加工,试验结果显示,30ABS塑料制品成形后,成形的零件会产生裂纹,并产生表面的粗糙。也有学者利用感光树脂进行3D印刷,将注塑模的模制部件加工成传感器的封装。已有学者利用 ABSP430等材料,利用 FDM方法制作了一种用于金属波纹管成型的水力膨胀模,在减少模具成本的前提下,可以缩短模具的生产周期,但是,这种快速模具的使用寿命相对较短,只适用于小型波纹管的制造。为减少电冰箱的开发周期,一种采用碳化硅的快速发泡工艺生产的发泡型聚氨酯,其使用寿命较常规工艺生产的模具要短。

三、用增减材料复合加工技术实现直接快速成型

虽然基于加材生产的快速成型技术具有模具生产周期短、适用性强等优点,但是由于增材工艺自身存在精度低、表面质量差、机械性能差、模具成本高等缺陷,特别是模具材料成本高,因此,基于增材工艺的快速模具制造技术至今没有得到广泛的应用。

本文从工艺参数的优化、减材制造和增材制造的组合等几个角度出发,分析了模具的加工精度和加工质量。目前已有学者提出了一种表面沉积法,即通过电弧、等离子喷涂、激光等方法将5~10微米的金属液滴形成一层,然后将沉淀层输送到5-5CNC机上进行成形,再进行喷丸加工,以消除应力,再将其运到沉积平台上,如此反复,最终形成一个金属模具。这种方法能改善模具的精确度和表面粗糙度,具有更广泛的应用领域,并能形成具有复杂形状的模具。

四、模具快速成型技术的发展动向

1.直接快速模具加工技术的发展趋势,特别是以激光、电子束或离子束为基础的快速模具加工为基础的快速模具加工技术。

虽然间接快速成型工艺具有短时间、低成本、适用于复杂模具的特点,但其工艺过程复杂,模具精度低,表面质量受模具质量的影响,模具使用寿命受到限制,只适合于模具的试制;但是,直接快速模具制造技术存在着精度低、表面质量差、模具寿命短、模具寿命短、后加工困难等缺点。利用高能光束技术实现了金属模具的直接加工,使其机械性能达到了常规的减材和等材加工的水平,更加贴近生产的需要。所以,采用直接快速模具加工技术,特别是以高能束增材为基础,实现快速模具加工是今后模具快速加工技术的发展趋势。

2.以增减材料为基础的快速成型工艺是今后模具快速加工技术的发展趋势

基于增材复合加工技术的快速模具制造技术,将增材制造技术与减材生产技术的优点结合起来,可以有效地解决传统增材工艺中存在的模具精度和表面质量问题。该方法解决了传统的模具制作周期较长、市场适应性较差、模具精度和表面质量较好、模具加工速度较快等问题。因此,基于增减材料复合加工的快速模具制造技术将成为今后模具快速加工技术的发展趋势。

结论:经过多年的发展,增材工艺已成为生产工艺的主流。随着增材工艺的高灵活性、高效率、高速度,以增材为基础的快速成型工艺已由间接快速成型技术发展为直接成型工艺,从软快速模具发展到硬快速成型,逐渐被模具工业所接受并在一定程度上得到了应用。但是,加工精度、表面质量、机械性能和生产成本等问题成为制约快速成型技术发展的重要因素。虽然增材制造技术可以实现复杂形状的冲模加工,但是其精度低、表面粗糙、成本高,是制约快速模具技术发展的瓶颈。若能在尺寸精度、表面质量、机械性能、缺陷检测和成本等方面取得重大突破,则可预期快速成型工艺将在今后的发展趋势:

(1)以高能量束增材为基础的快速成型技术将会是模具快速成型技术的主要方向;

(2)以增减材料为基础的复合加工技术将是模具快速成型技术发展的主要趋势;

(3)增加或减少材料复合加工模具的工艺检查,特别是缺陷的检测,将是模具快速加工领域的一个热门课题;

(4)模具快速加工技术向高精度、高表面质量、高机械性能和低成本的方向发展。

参考文献

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作者简介:马水平,男,1975年5月生,汉族,湖南邵阳人,本科学历,职称:机械讲师   研究方向:智能制造方向。