快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用

快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用（精选10篇）

篇1：快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用

制造产业是人类社会赖以生存和发展的基础,是社会物质财富的主要来源.制造业的水平反映了一个国家或地区的经济实力、科技水平、人民的.生活质量及国防能力.从20世纪90年代开始,市场环境发生了巨大变化,一方面表现为消费者的需求日益主体化、个性化和多样化;另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争.

作者：赵毅作者单位：上海联泰科技有限公司刊名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(2) 分类号：V2 关键词：

篇2：快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用

电子束加工是利用高能量密度的电子束对材料进行加工处理的方法，电子束作为一种热源，通过调整其能量密度、束斑直径、束流作用时间和材料本身的热物理特性，可以产生加热、熔化和汽化等多种加热效果。电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。

近年来，随着电磁场控制技术的发展，并结合电子束在磁场中易控的特点，开发了一种新型的电子束加工方法――快速扫描电子束加工技术。这种通过电磁场的控制实现电子束的快速偏转扫描的方法越来越显出其技术的优势，在航空航天制造领域中获得了广泛的应用。

快速扫描电子束加工技术原理与特点

快速扫描电子束加工技术的原理如图1 所示，就是通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。如果在不同的束流之间改变聚焦位置或者束流强度，则可以实现多功能加工技术，如多束流加工技术、电子束“毛化”技术以及电子束快速成型技术等。

（1）多束流电子束加工(Multibeam Technology)是指采用2束以上的电子束对材料或结构进行处理和加工的一种方法。多束流电子束可以由多个电子枪产生，也可以由1个电子枪通过电磁场的控制而产生。电子束在不同的位置快速移动，由于移动的频率很高从而产生多束的效果。本文所提到的多束流电子束都是指由1个电子枪通过电磁场控制而产生的多束。

（2）电子束“毛化” 技术（Electron Beam Surfi-sculpt）是英国焊接研究所（TWI）Bruce Dance 等人近年来发明的一种新型电子束加工技术，它借助于电磁场对电子束的复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的成形效果。其基本过程是在真空环境中，通过快速响应偏转线圈和复杂信号控制程序精确控制电子束流，使其按照某种特定的方式、特定的规律、一定的速度和能量作用于材料表面，并在材料表面形成金属的微小熔池。一旦材料开始形成熔池，电子束将通过磁场的扫描控制被迅速转移到其他位置，而熔化的液态金属在表面张力及金属蒸汽压力的共同作用下，向束流移动相反的方向流动，并在熔池后方快速冷却、凝固。随着束流的重复扫描，熔池前端的金属被继续转移到熔池后端，经过不断的堆积、冷却、凝固，逐渐形成一定形状和大小的“凸起”（毛刺），产生表面“毛化”的效果，而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽状的“刻蚀”。

本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布（3）电子束快速成型技术（Electron Beam Melting，EBM）是一种集成了计算机、数控、电子束和新材料等技术而发展起来的先进制造技术。电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择地熔化金属粉末，并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成型相比，电子束快速成型技术具有能量利用率高、加工速度快、运行成本低、高真空保护等优点，是高性能复杂粉末冶金件的理想快速制造技术。

快速扫描电子束加工技术的国内外现状多束流加工技术

电子束扫描技术早在20世纪70 年代就已经用于消除电子束焊接缺陷，但是由于控制技术的限制，最近才开始用于多束流焊接和其他加工技术。德国Steigerwald、PTR和Pro-beam等公司都进行过相关研究，主要是在束流偏转设备方面；Aachen大学的焊接研究所在这方面的研究也比较多，主要是在多束流的束流品质、能量分配及加工过程中热、力、冶金的相互作用方面。英国焊接研究所的Oliver Nello等人设计和建立了可编程偏转系统，该系统具有使电子束在X、Y轴快速偏转并以相似的速度调节电子束焦点（Z轴）的能力，可用于电子束多束流焊接过程应力变形控制的研究。

在国内，北京航空制造工程研究所“十一五”期间在国家自然科学基金（多束流电子束加工的热效应）的基础上搭建了多束流技术试验平台，开展了多束流扫描控制技术的研究，并用于电子束焊接过程中应力和变形的动态控制，降低了试件的焊接残余应力，从而减小最终变形。上海交通大学曾对扫描轨迹可控的电子束加工技术进行研究，初步实现了扫描方式的灵活控制，并尝试进行了一些相关的试验，但由于试验设备等条件的限制，比较侧重于理论方面的验证和控制平台的搭建，相应系统有待于进一步优化和完善，工程应用研究也有待于进一步的开展。电子束“毛化”技术

自发明电子束“毛化”技术以来，英国焊接研究所在该领域开展了大量的研究工作，开发了成熟的电子束“毛化”设备，而且在工艺研究方面也取得了长足的进步。通过控制电子束的工艺参数(包括电子束的加速电压、电流和聚焦)，加上特殊的扫描波形，即可在不同的金属（如不锈钢、钛合金及铝合金等）上产生各种不同的表面，包括高宽比大的尖峰突起、蜂窝结构、无毛刺的孔穴、刀刃、通道、旋涡和网纹。

对任何纹理的结构，都可以通过改变尺寸、形状、入射角和特征分布来定制客户所需的表面。目前已经成功制备尺寸从10μm~20mm的毛刺。图2是电子束毛化的几种表面形貌。该技术不仅能够加工其他工艺无法实现的表面造型，而且在真空操作下可以避免表面污染。

在国内，有关电子束“毛化”技9术的研究刚刚起步，北京航空制造工程研究所在现有电子束焊接设备和电子束加工技术的基础上率先开展研究，通过分析电子本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布束“毛化”技术的原理，设计了快速偏转扫描线圈，搭建了电子束扫描控制系统，实现了电子束“毛化”技术，并在不同的金属表面产生不同的毛化形貌，见图3。3 电子束快速成型技术

相对于激光及等离子快速成型，电子束快速成型出现较晚，但自2001年瑞典Arcam公司确立电子束快速制造技术以来，该技术凭借在粉末近净成型精度、效率、成本及零件性能等方面的独特优势，在国外很快成为研究前沿。美国北卡罗来纳州大学、英国华威大学、德国纽伦堡大学、波音公司、美国Synergeering集团、德国Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司积极开展了相关研究工作。研究表明，EBM能显著地减少生产时间并降低生产成本，尤其适合形状复杂金属部件的小批量生产，任何外表奇异复杂的金属部件都可以一次快速成型。其技术与设备被用于生产零部件的直接制造业，并在航空制造、汽车制造、医疗植入物及模具制造等领域均有出色表现。

目前，国内航空航天、汽车及生物医学等领域对复杂结构及多孔结构有巨大需求，但由于电子束快速成型设备及工艺还不成熟，暂时无法满足航空航天高性能复杂零件实际应用要求。清华大学进行过电子束选区快速成型技术研究，并购买了1 台中压的国产电子束设备，将其真空室进行改造，增加Z 向工作台，安装铺粉系统，利用电磁场的控制使电子束按照预定的轨迹进行逐行扫描，从而实现简单的三维零件的快速成型。由于束流品质（如束斑品质、束流稳定性、聚焦效果等）的影响，电子束扫描控制的精度和灵活性还有待进一步提高，制作试件的质量检测和力学性能也正在研究中。

快速扫描电子束加工技术的应用多束流电子束加工技术

多束流电子束加工技术主要应用于多束流焊接技术，用于提高焊接效率，减少焊接变形，改善难熔易裂材料的焊接性、焊缝性能等。多束流电子束的应用可以方便、迅速（通过电磁场非接触地控制几乎没有质量的电子运动）地调节电子束加工过程中的热量分布，从而对其力学过程和冶金过程进行动态控制，减小应力和变形，防止焊接过程中的热裂倾向，形成高质量的加工部件。图4是德国Pro-beam 公司采用3束电子束同时焊接的实例，结果表明与单束电子束焊接相比，此种方式可以明显减小齿轮焊接变形，而且大大提高了加工效率。

另外，多束流电子束加工技术还可用于异种材料的连接：通过调节不同位置的停留时间，控制在不同区域的能量输入。例如，接头一边的材料熔化，而另一边的材料仍处于加热状态（扩散焊），这样就可以实现固态不完全熔化的异种材料的有效连接。可见，多束流电子束加工技术在多方面都有很大的应用潜力。电子束“毛化”技术

英国焊接研究所正在研究将电子束“毛化”技术应用到金属与的连接技术上，将这种技术称为Comeld技术。该技术先通过电子束“毛化”在金属表面上形成毛本文由振动流化床干燥机http://czcbgz.com 双锥回转真空干燥机czcbgz.com 联合整理发布刺，预处理后将复合材料置于金属上，通过加温、加压共同固化，即可得到这种金属和复材连接的Comeld接头，如图5 所示。

根据TWI的研究，这种Comeld接头比传统的同尺寸接头能承受更高的载荷，断裂前吸收的能量也远高于后者，而且可以通过优化毛刺的结构及分布形式提高这种接头的韧性。此项技术在未来金属与复合材料连接领域有着重要的应用。

另外，电子束“毛化”技术还可以用在金属材料的表面改性如涂层制备上，如图

6、图7所示。这种表面处理技术在促进基质与涂层的粘合方面具有非常广阔的应用前景。它可以通过增加表面粗糙度来增加涂层附着力，避免分层。毛刺的形状与尺寸可以影响涂层的微观组织，甚至可以改变涂层表面上的裂纹生长机理。同时，凹入特征改善了同邻接部件的机械互锁，而突出特征有助于关节界面均匀分布应力。该技术的灵活性还可应用于定制特殊表面，例如，将突起特征排列在最大应力的方向，或者改变结构特征的密度使部件上应力均匀分布。由于该工艺在真空下完成，生成的表面非常洁净，有助于连接应用。3 电子束快速成型技术

电子束快速成型技术一经面世即引起各国众多科研机构以及制造业界的高度重视，目前已有美国、德国、意大利及日本一些高技术公司和科研机构将该技术用于机械制造业以及航空航天、汽车和医疗植入器材等领域。美国Calcam公司采用电子束快速制造技术制备出了全致密、力学性能优于锻件的Ti6Al4V叶轮部件。瑞典Arcam公司采用电子束快速成型技术制造了特殊的钛合金点阵结构及复杂的部件，见图8和图9。

国内在无法获得设备及相关技术的条件下进行自主开发研究，在钛合金电子束快速成型研究方面取得了较大的进展。西北有色金属研究院多孔材料国家重点实验室开展了电子束快速成型工艺的研究工作，在钛及钛合金复杂结构及多孔结构的电子束快速制造工艺、应力及变形控制方面积累了实践经验，并制造出复杂的钛合金叶轮样件。

结束语

快速扫描电子束加工技术在国外已经相当成熟，在航空航天、汽车、医疗等方面的应用也越来越广泛。国内众多研究单位进行的一系列基础理论和应用研究为快速扫描电子束加工技术的发展奠定了基础，尤其是近几年随着控制技术的发展，快速扫描电子束加工技术在国内发展迅速，已经逐渐应用到工程实践中，进一步推动了国内精密制造技术的发展。(end)文章内容仅供参考()()(2010-8-27)

篇3：快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用

一、快速成型技术的相关特点分析

对快速成型技术的特点进行归纳汇总, 主要表现为以下几个方面:

一是速度快, 即从规划到生产的时间短, 对新品的管理域开发相当适用;

二是柔性高, 即改变CAD模型并对设置参数重新调整, 便可将不同形状的模型生产;

三是选材广, 除了塑料树脂类之外, 还可以选择陶瓷材料、金属、复合材料、纸类与石蜡类材料进行制模;

四是设计制造一体化且高度技术集成, 包括了机械控制、材料控制、激光、计算机、计算机技术、综合数据、数控技术等;

五是自由成形制造, 即零件形状无特殊限制和不受复杂零件形状限制;

六是加工制造快速, 将新品研制周期与成本大大缩减, 同时加工具有自动化、浪费少、噪声小及其振动小的特点;

七是原型的互换性及其复制性高;

八是产品的复杂程度不影响加工成本和周期;

九是制造原型的形状不影响制造工艺。

二、模具制造中快速成型技术的应用

一般涉及间接制模和直接制模两种模具制造方法, 而要想实现快速制模, 就必须保证快速原型具有较高的尺寸精度, 然而受成型工艺及其材质等因素的影响, 使得直接制模法较为少用。目前在产品生产中应用较多的快速成型制模技术主要包括了以下几种:

一是电弧喷涂快速制模, 即依据原型模样充分雾化熔化的金属, 之后将其向样模表面喷射, 且控制一定的速度, 促进模具型腔表面的形成, 之后将复合材料背衬充填, 支撑选择的材料为硅橡胶或环氧树脂, 分离壳与原型, 将精密模具获得, 再将冷却系统和浇注系统等加入, 与模架一同制作注射模具。该手段具有周期短、工艺简单、模具尺寸精度高的特点。

二是硅胶-陶瓷型橡胶模制模, 即将精密陶瓷型通过涂层转移获得, 并将黑色金属或铸铝浇铸。通常快速精密铸造的方式较多, 主要是通过立体光刻工艺将零件膜具半中空原型获得, 之后挂浆于原型外表面, 将一定粒度与厚度的陶瓷层获得, 并在原型外面紧紧包裹, 之后再将其置入高温炉将半中空原型烧掉, 并将中空的陶瓷型壳获得。将该方法在精密铸造中应用, 还有以机加工的形式对浇铸后的金属模做处理, 使其尺寸精度与表面质量符合相关要求。该手段将铸造原型的精度大大提高, 同时也将制造速度加快。

三是硅橡胶制模, 该快速模具制造法的应用具有广泛性, 受硅橡胶模弹性好、柔性好等因素的影响, 使得在制造深凹槽类、花纹精细、结构复杂零件的时候该手段得到了广泛应用, 并且还具有制件质量高与制作周期短的特点。受零件尺寸、形状的影响, 在硅橡胶模具强度要求上具有显著差异, 因此制模方法也随之发生转变。通常情况下, 硅橡胶模具具有收缩率、强度极低、仿真性好的特点, 因此多用于弹性模具的制造, 并且不受温度、设备及其特殊技术的制约。除此之外, 硅橡胶模具还能够接受粗劣操作和重复使用, 使批量生产产品和制件原型的精密公差得以保持, 并将形状复杂的零件直接加工, 在工序上免去了打磨和铣削, 且容易脱模, 将产品试制周期缩短, 并且也方便进行模具修改。最后基于该材料的弹性优势, 使得在凸凹部分浇注成型后也能够轻松取出。

四是树脂型复合模具制模, 该手段的基体材料是有机或无机复合材料与液态环氧树脂, 之后依据原型进行模具浇注。在工艺流程上包括了原型制作、处理表面、设计表面、模框制作、分型面设计、刷脱模剂于原型分型面和表面、胶衣树脂、凹模浇注。在以上步骤完成后将其倒置, 并将脱模剂和胶衣树脂均匀涂于原型分型面及表面, 之后将模具分开。将模具于常温下浇注, 基本固化定型仅需1~2天, 之后分模处理。

三、汽车与航空航天工业领域快速成型制模技术的应用

1) 汽车工业中的应用。将该技术用于汽车制造业能够满足表面质量高、形状复杂、尺寸大、材料薄的要求, 同时获得模具具有经济耐用、表面质量好、模具精度高的特点, 除此之外还能够进行批量生产, 目前主要应用汽车内部部件的制作, 如气缸盖或者是发动机等。

2) 航空航天工业中的应用。制造火箭发动机泵样机零部件的时候采用快速成型制模技术要显著优于传统的硬加工法, 无论是在制造成本还是制造时间上都要明显占优势, 相关数据调查显示, 采用快速成型制模技术制模的成本仅为传统手段的1/4, 而试验全期也有小缩减1/3。

四、结语

通过以上探讨我们了解到在新产品开发中模具开发周期起到了严重影响作用, 因此要想将新产品的开发成本降低, 开发周期缩短, 就必须将模具的成本有效控制并降低, 因此就必须充分借助快速成型技术进行制模, 并且在充分考虑模具原型材料的基础上将电弧喷涂快速制模、硅胶-陶瓷型橡胶模制模、硅橡胶制模及其树脂型复合模具制模手段合理的选择应用。

参考文献

[1]闫玉蕾.快速成型技术在模具设计与制造中的应用[J].职教研究, 2014, 01:58-62.

[2]王爱阳.快速成型技术在塑料模具制造中的应用[J].塑料科技, 2015, 05:95-99.

篇4：快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用

关键词：快速原型制造技术、离散-堆积原理、产品三维数据模型、设备维修

引言

对于制造一款很酷的产品或者某种相当精密、复杂的机械零件可能很多人都会想到这只是在加工工厂才能完成的事情。就在制造业如此发达的当今社会一个普通人在没有生产车间和加工设备的情况下就能够很轻松的生产出具有较高精度的机械零件或者极具个性化的产品也是一件很难想象的事情，而这一切已经成为现实。消费者用电脑从网上下载产品，严格地说是下载产品的三维几何数据模型，然后根据自己的喜好进行个性化定制，把最终的数据信息发送到一台机器上，放进原材料后机器就会按照程序一层一层地把产品制造出来，这就是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术--增材制造技术。

1 快速原型制造技术的发展历史和特点

基于离散-堆积原理的快速原型制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing）又称为"增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）、三维打印（3D Printing ）、实体自由制造（Solid Free-form Fabrication） "是一种由三维几何数据模型直接驱动采用材料逐层累加的方法快速制造出任意复杂形状三维实体的技术，其基本制造原理是将专业设计软件中的产品三维数据模型按照一定的工艺要求对模型进行离散处理，然后将离散分层数据输入成型设备中，在计算机控制下以平面加工方式有序逐层的堆积成形产品模型。相对于传统的材料去除成形加工技术，是一种"自下而上"的全新制造方法，制造业将其称为"具有工业革命意义的制造技术"。

快速原型技术的核心制造思想最早起源于十九世纪末的美国，起初是用于照相雕塑和地貌成形方面的研究，二十世纪八十年代后期逐步发展成熟并被广泛应用于工业产品制造成形领域。近年来，快速原型制造技術并没有仅仅停留在制作原型上，而是向着用于快速制作金属模具乃至实际产品中使用的功能性塑料零件和金属零件的方向发展。快速原型制造已经具有了制造最终产品的功能，它的内涵正从快速原型制造向快速制造（RM，Rapid Manufacturing）的方式转变。与传统去除材料加工方式不同，"增材制造"方式具有许多优点。首先无需原胚、模具和专业的夹具，直接根据产品三维数据模型就能通过增加材料的方法生成任何复杂的三维几何实体，其次在制造过程中几乎不需要人工干预就能够完成整个制造过程，产品制造精度高品质不受人工技术水平高低的限制，再次由于省去了各种传统加工工艺简化了产品制造程序，所以缩短了产品的开发周期，提高了制造效率并且降低了制造成本。

2 快速原型制造技术在设备维修领域中的应用

工业化大生产环境下产品制造企业总是希望组成生产线的每台设备在保持制造精度的前提下高速稳定的持续运转，但设备管理部门总会遇到这样的问题：为提高设备维修效率，不断的对设备维修人员进行培训、购买适合设备维修作业的工具和品种繁多、数量庞大的设备备件，而当真正出现设备故障时，偏偏需要的备件没有购买或者是在库数量不足。由于损坏的部件无法及时更换上新的备件导致停机时间延长，给企业造成了极大的经济损失。而另一方面数量庞大的设备备件的存在又产生了许多附加制造成本占用了场地、消耗了宝贵的流动资金。备件的日常管理工作细碎繁杂，缺乏设备维修经验的管理者有时很难确定全部设备非标备件的安全库存量，而一些进口设备的非标备件购买周期漫长且价格昂贵，有时甚至遇到该型号设备已经停产造成备件无法获得的情况。从设备技术手册中往往找到的是备件的二维工程图纸，要想得到备件只能将备件工程图纸发往特定的加工工厂时间成本巨大。需要进行维修更换的非标备件通常数量极小加之备件本身材质的不同，有时一两个金属材质的备件根本无法使用数控加工，十多个塑料材质的备件受生产成本制约有时根本无法开模具制造，以上种种问题都无形的提高了企业的生产成本，给备件再生产带来极大困难。在设备机械维修领域中应用快速原型制造技术当非标备件不足或缺失时，不但可以快速自行制造备件缩短制造周期而且不因制造备件数量少而提高加工成本，并且制造品质不受其它外部因素影响。采用快速原型制造方式可以及时、高效、低成本的解决生产制造企业遇到的这些设备维修困境。随着计算机集成制造系统在企业中应用的不断深入，数据信息集成与采用快速原型制造方式自行生产备件相结合就能有效的解决了因非标备件不足或缺失造成的维修困难。

首先，装备制造企业将设备零部件各种参数信息以三维实体模型数据的方式存储在公司的数据库中，需要成为备件的零部件根据设备型号进行分类并发布到公司的网站上方便用户从网上快速下载到关于这个产品的备件数据信息，用户在得到备件数据信息后可以将该信息发送到当地的快速原型制造中心进行快速制造，得到备件后进行快速更换维修。产品生产企业的设备管理人员在保存原有设备备件二维工程图纸的基础上，将该备件的三维实体模型数据保存到自己公司ERP系统中的设备管理数据库中，以便后期使用调取。

其次，针对国外进口设备备件购买价格昂贵、购买周期漫长等特点，在短时间无法得到备件的情况下，自行制造备件更适于进口设备备件的国产化开发。可以采用逆向工程（reverse engineering）对备件进行测绘，然后经过编辑得到最终的备件三维实体模型数据，为后期进行备件快速制造做前期的技术准备。

最后，建立整个生产线设备的虚拟备件库，将大量的备件三维实体模型分类保存在备件数据库中，形成设备维修系统中除专家诊断系统、故障分析系统以外的另一种技术支撑系统。这种设备维修方式的主要思想是将过去传统的保存大量实体备件模式逐步变成在仅保存少量常用易损备件安全库存的基础上建立虚拟的备件三维实体模型数据库，一旦特殊部件损坏在没有实体备件在库和获取备件时间漫长等条件下采用快速原型制造技术在较短的时间内获得实体备件，以提高设备维修的效率减少设备故障停机时间，为企业赢得更多的利润。

3 结语

根据快速原型制造技术适宜单件、小批量、高柔性的零件制造特点，设备备件"真正实现了随时、随地、按需生产"的设想，在设备维修领域中极大的减少了实体备件在库数量，变实体库存为虚拟库存，减少了场地占用和资金占用，降低了企业购买备件的成本。在未来随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，快速原型制造技术的发展将朝着精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势发展，可以说快速原型制造技术正在重塑着整个制造业的明天！

参考文献：

【1】盛晓敏. 先进制造技术〔M〕.北京：机械工业出版社，2009.

【2】李梦群等编. 先进制造技术导论〔M〕.北京：国防工业出版社，2005.

【3】刘厚才，莫健华，刘海涛.三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术，2008（9）：1184-1186.

篇5：快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用

模具在加工业中有重要的地位。模具是利用其特定形状去成型具有一定的形状和尺寸制品的工具。在各种材料加工工业中广泛的使用着各种模具。对模具的全面要求是：能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等各方面都满足使用要求的公有制制品。以模具使用的角度，要求高效率、自动化操作简便；从模具制造的角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。

模具影响着制品的质量。首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制件的尺寸精度和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同性性、外观质量、表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。其次，在加工过程中，模具结构对操作难以程度影响很大。在大批量生产塑料制品时，应尽量减少开模、合模的过程和取制件过程中的手工劳动，为此，常采用自动开合模自动顶出机构，在全自动生产时还要保证制品能自动从模具中脱落。另外模具对制品的成本也有影响。当批量不大时，模具的费用在制件上的成本所占的比例将会很大，这时应尽可能的采用结构合理而简单的模具，以降低成本。

现代生产中，合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少是三项重要因素，尤其是模具对实现材料加工工艺要求、塑料制件的使用要求和造型设计起着重要的作用。高效的全自动设备也只有装上能自动化生产的模具才有可能发挥其作用，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提的。由于制件品种和产量需求很大，对模具也提出了越来越高的要求。因此促进模具的不断向前发展。

上世纪30年代以前，一般采用简单工具与设备，形成以手工制造模具的生产方式，也只能制造简单模具，其制造精度与质量完全取决于工人技艺和实际经验。上世纪30～70年代后期，是模具工业化生产方式的发展过程。其主要成就与特征有：广泛采用铣削、成形磨削工艺，并实现带精密孔距的圆孔与型孔加工的精密坐标磨削工艺技术；电火花成形加工和NC电火花线切割加工工艺的广泛应用，为高硬材料的型件提供了关键加工技术；实现了模具型件的专业化、系列化和标准化。随着模具标准化的发展，在生产中全面采用标准化进行设计与制造，不仅是模具工业化生产方式的重大成就和特征，也是实现现代化模具生产方式的重要技术基础。

随着计算机和机床工业的进步与发展，1980年以来模具CAD/CAM、CAD/CAM/CAE已成为广泛的应用技术，它们与标准化相配合实现了模具设计与制造的信息化、数字化的模具生产方式。

年代以来，在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下，我国模具工业发展迅速，年均增速均为13%，1999 年我国模具工业产值为245 亿，至2000年我国模具总产值预计为260-270 亿元，其中塑料模约占30%左右。在未来的模具市场中，塑料模在模具总量中的比例还将逐步提高。

我国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产48 英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、6.5kg 大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具；精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。

成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新设计方面也取得较大进展。在制造技术方面，CAD/CAM/CAE 技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM 系统，据有关方面预测，模具市场的总体趋热是平稳向上的，在未来的模具市场中，塑料模具的发展速度将高于其它模具，在模具行业中的比例将逐步提高。随着塑料工业的不断发展，对塑料模具提出越来越高的要求是正常的，因此，精密、大型、复杂、长寿命塑料模具的发展将高于总量发展速度。同时，由于近年来进口模具中，精密、大型、复杂、长寿命模具占多数，所以，从减少进口、提高国产化率角度出发，这类高档模具在市场上的份额也将逐步增大。建筑业的快速发展，使各种异型材挤出模具、PVC 塑料管材管接头模具成为模具市场新的经济增长点，高速公路的迅速发展，对汽车轮胎也提出了更高要求，因此子午线橡胶轮胎模具，特别是活络模的发展速度也将高于总平均水平；以塑代木，以塑代金属使塑料模具在汽车、摩托车工业中的需求量巨大；家用电器行业在“十五”期间将有较大发展，特别是电冰箱、空调器和微波炉等的零配件的塑料模需求很大；而电子及通讯产品方面，除了彩电等音像产品外，笔记本电脑和网机顶盒将有较大发展，这些都是塑料模具市场的增长点。研究表明，模具的使用寿命与热处理、选材、结构、机械加工工艺、滑润、设计水平等诸多因素有关。根据对大量失效模具的分析统计，在引起模具失效的各种因素中，热处理不当约占45%，选材和模具结构不合理约占25%，工艺问题约占10%，滑润和设备问题因素约占20%。因此，在模具设计和制造过程中，选材、模具结构、热处理工艺、加工工艺和改善模具的工作条件都能够提高模具的质量和使用寿命。

1.合理选用模具材料

选用模具材料时，应根据不同的生产批量、工艺方法进行选择。在批量生产中，应选用耐用的模具材料，如硬质合金，高强韧、高耐磨模具钢；小批量或新产品试制可采用锌合金、铋锡合金等模具材料；易变形、易断裂失效的通用模具，需要选用高强度、高韧性的材料；热锻模要选用具有良好的韧性、强度、耐模性和抗冷热疲劳性能的材料；压铸模要采用热疲劳抗力高、高温强度大的合金钢；塑料模具则应选择易切削、组织致密、抛光性能好的材料。此外，在设计凸凹模时，选用不同硬度或不同材料的模具相搭配，模具使用寿命可提高5～6倍。

2.合理的模具结构

模具设计的原则是保证足够的强度、刚度、同心度、对中性和合理的冲裁间隙，并减少应力集中，以保证由模具生产出来零件符合设计要求。因此，对模具的主要工作零件要求导向精度高、同心度和中性好及冲裁的间隙合理。在模具设计时，应着重考虑：凸模应注意导向支撑和对中保护，特别是设计小孔凸模时采用自身导向结构，可延长模具寿命；对夹角、窄槽等薄弱部位，为了减少应力集中，要以圆弧过渡，圆弧半径R可取3～5 mm；对于结构复杂的凹模采用镶拼结构，也可减少应力集中；合理增大间隙，改善凸模工作部分的受力状态，使冲裁力、卸件力和推件力下降，凸、凹模刃口磨损减少。

3.模具的热处理工艺

从模具失效分析得知，45%的模具失效是由于热处理不当造成的。磨损、粘结均发生在表面，疲劳、断裂也往往从表面开始，因此对模具表面的加工质量要求非常高。但实际上由于加工痕迹的存在，热处理时表面氧化脱碳在所难免，模具的表面性能反而比基体差。采用热处理新技术是提高模具性能的有效措施。模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理：基体的强韧化在于提高基体的强度和韧度，减少断裂和变形；表面强化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。

航空航天为科学研究的发展作出了重要贡献。在很长时间内，人类对自然界的认识全部来自在地球表面进行的生产活动和科学研究。航空技术为人类提供了从空中观察自然界的条件。气球是最早进行对地观测、大气探测的空中运载工具。飞机可以在上万米的高空对地球进行大面积观测。航天揭开了从太空观测、研究地球和整个宇宙的新时代。人造地球卫星刚一上天就发现了地球辐射带。接着，各种科学卫星和空间探测器发现了地球磁层、地冕、太阳风，基本上了解了它们的结构及其相互影响，测量了太阳系大多数行星的大气参数、表面结构和化学成分;在宇宙中发现了大量的X射线，γ射线和红外天体，发现了极高能量的粒子以及可能是“黑洞”的天体。载人航天实现了人在太空的天文观测，并且送人登上了月球，进行实地考察。通过航天活动获得的有关地球空间、行星际空间、太阳系和遥远宇宙天体的极其丰富的信息,大大更新了人类对于地球空间、太阳系和整个宇宙的认识，推动了天文学、空间物理学、高能物理学、生物学的发展，形成了一些新的学科分支。装有各种遥感器的航天器已经成为观测和监视地球物理环境的有效工具。卫星气象观测、卫星海洋观测、卫星资源勘测等新技术推动了气象学、海洋学、水文学、地质学、地理学、测绘学的发展，产生了卫星气象学、卫星海洋学、卫星测绘学等一系列新的学科分支。载人航天器为人类创造了一个具有众多特殊环境条件（极高真空、微重力、超低温、强太阳辐射）的天然实验室，可借以开展物理、化学、生物、医学、新材料、新工艺等综合研究工作。例如，在微重力条件下，可以研制和生产高纯度大单晶、超纯度金属和超导合金以及特种生物药品等。

篇6：SLA技术在制造领域中的应用

实践证明RP能优化产品设计、缩短产品开发周期、降低开发成本,广泛应用于航空航天、家用电器、汽车、医学、军事、教学科研等领域.

作者：马劲松作者单位：上海联泰科技有限公司刊名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(7) 分类号：V2 关键词：

篇7：快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用

随着全球经济一体化发展，模具企业间的竞争日益激烈，为了能在激烈的市场竞争中立稳脚跟谋求发展，企业必须以最新的产品、最短的开发时间、最优的质量、最低的成本、最佳的服务、最好的环保效果和最快的市场响应速度来赢得市场和用户。为实现这一目标，模具制造业必须改变传统观念，不断对各单项技术进行集成融合，并与现代信息技术、现代管理技术相结合，从而推动先进制造技术的发展。

从20世纪80年代以来，一些工业发达国家提出了许多不同的先进制造技术新模式、新技术、新思想、新方法，这其中包括计算机辅助设计、制造、工程(CAD／CAM／CAE)，逆向工程技术，并行工程，快速成形技术，虚拟制造技术，敏捷制造、精良生产、制造资源计划等新技术。这些新技术的使用，对提高制造业企业的竞争力起到了巨大的作用。本文将对高速加工技术、逆向工程技术、快速成形技术和虚拟制造技术等进行简单的介绍。

1、模具设计，加工中的几种先进制造技术 1．1 高速加工技术(HSM)1．1．1 何谓高速加工

高速加工概念起源于德国切削物理学家Carl Salomon，他认为在常规切削范围内切削温度随着切削速度的增大而升高，当切削速度达到临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降，从而大大地减少加工时间，成倍地提高机床的生产率。这一理论的发现为人们提供了一种在低温低能耗条件下实现高效率切削金属的方法。目前通常把切削速度比常规切削速度高5-l0倍以上的切削称为高速加工。

1．1．2 高速加工的特点及在模具工业中的应用

a、加工效率高，由于切削速度高，进给速度一般也提高5-l0倍，这样，单位时间材料切除率可提高3-6倍，因此加工效率大大提高。

b、切削力小，高速加工由于切削速度高，切屑流出的速度快，减少了切屑与刀具前面的摩擦，从而使切削力大大降低。

c、热变形小，高速加工过程中，由于极高的进给速度，95％的切削热被切屑带走，工件基本保持冷态，这样零件不会由于温升而导致变形。

d、加工精度高，高速加工机床激振频率很高，已远远超出“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，这使得零件几乎处于“无振动”状态加工，同时在高速加工速度下，积 1 屑瘤、表面残余应力和加工硬化均受到抑制，因此用高速加工的表面几乎可与磨削相比。

e、简化工艺流程，由于高速铣削的表面质量可达磨削加工的效果，因此有些场合高速加工可作为零件的精加工工序，从而简化了工艺流程，缩短了零件加工时间。综上所述，高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术。其工件热变形小，加工精度高，表面质量好；非常适合模具加工中的薄壁、刚性较差、容易产生热变形的零件，可以直接加工模具中使用的淬硬材料，特别是硬度在HRC46～60范围内的材料。

1．2 逆向工程技术(RE)1．2．1 何谓逆向工程技术

按照传统的产品开发流程，开发过程是市场调研—概念设计—总体设计—详细设计—制定工艺流程—设计工装夹具—加工、检验、装配及性能测试—完成产品。即从“设计思路—产品”的产品设计过程，这被称为正向工程或顺向工程(FE)。然而，当我们掌握是的物理模型或实物样件时，我们必须寻求某种方法将这些实物(样件)转化为CAD模型，使之能应用CAD／CAM／CAE等先进技术完成有关任务。这种产品开发方式的设计流程是从实物到设计，我们将这种由“产品—设计思路”的产品开发过程称为逆向工程或反求工程(RE)。

1．2．2 逆向技术在模具工业中的应用

模具工业中的逆向工程应用大致可分为以下几种情况：

a、在没有设计图样以及设计图样不完整或没有CAD模型的情况下，在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图样或CAD模型。

b、某些难以直接用计算机进行三维几何设计的物体(如复杂的艺术造型、人体、动植物外形)，目前常用黏土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计，再通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型。

c、人们经常需要对已有的产品进行局部修改。原始设计没有三维CAD模型的情况下，应用逆向工程技术建立C A D 模型，再对CAD模型进行修改，这将大大缩短产品改型周期，提高生产效率。

d、利用逆向工程技术可以充分吸收国外先进的设计制造成果，使我国的模具产品设计立于更高的起点，同时加速某些产品的国产化速度，在这方面逆向工程技术均起到不可替代的作用。

1．3 快速成形技术(RP)1．3．1 何谓快速成形技术

快速成形技术，是20世纪80年代末90年代初发展起来的一种先进制造技术，它结合了数控技术、CAD技术、激光技术、材料科学技术、自动控制技术等多门学科的先进成果，利用光能、热能等能量形式，对材料进行烧结、固化、粘结或熔融，最终成形出零件的二维实物模型。

1．3．2 快速成形技术在模具工业中的应用

a、产品开发对于新产品，通过快速成形技术，方便快速地试制出产品的实物模型，根据实物模型可以及时地发现产品设计中所存在的不足或错误之处，从而既缩短了新产品开发的研制周期，又避免了设计错误可能带来的损失。

b、产品性能测试快速成形制造在一般场合可以代替实际零件，对产品的有关性能进行综合测评或工程测试，优化产品设计，这样可以大大提高产品投产的一次成功率。

c、样件展示由于应用快速成形技术很容易制造出新产品的样件，因此，快速成形技术已成为开发商与客户之间进行交流沟通的重要手段。

d、快速制模将快速成形技术与真空注型、熔模铸造、金属电镀等技术相结合，快速制造出模具，用于零件的数件或小批量生产。

1．4 虚拟制造技术(VM)1．4．1 何谓虚拟制造

虚拟制造是新产品及其制造系统开发的一种哲理和方法论，它强调在实际投入原材料与产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。虚拟制造技术是基于产品模型、计算机仿真技术、可视化技术及虚拟现实技术，在计算机内完成产品的制造、装配等制造活动的制造技术。

1．4．2 虚拟制造技术在模具工业中的应用

a、在模具设计阶段，应用虚拟设计技术，在计算机中完成整体及零部件的概念设计、造型设计、总体布局设计和结构设计等，同时对其刚度、强度、固有频率、动态响应及疲劳使用寿命等性能进行模拟分析，以便在设计阶段就发现问题并有针对性地解决有关问题。

b、使用虚拟装配技术，能避免传统装配方式常存在的装配干涉或装配不到位现象，可以方便地修改并首先生成零部件模型，从而大大降低了模具零件的返工率。

c、虚拟实验技术可对整个模具在真实实验环境、实验条件、实验负荷下进行模拟实验，通过机构运动虚拟软件仿真其运动轨迹，预测产品的安全性、可靠性、经济性。

2、其他先进制造技术 2．1．敏捷制造技术(AM)敏捷制造的基本思想是通过将高素质的员工、动态灵活的组织机构、企业内部及企业之间的灵活管理以及柔性的先进生产技术进行全面集成，使企业能够对快速变化、难以预测的市场要求做出快速反应，并由此获得长期的经济效益。

2．2 并行工程(CE)并行工程是一个集成的、并行的方式设计产品及其相关过程的系统方法，它要求开发人员在设计开始就需考虑产品整个生命周期中的所有因素，包括产品质量、成本、进度计划、用户要求等。为达到并行的目的，需要建立高度集成的模型，应用仿真技术，实现异地人员的协同工作。

2．3 精良生产(LP)精良生产的目的是简化生产过程、减少信息量、消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能简化和标准化。精良生产的核心是准时生产和成组技术。

3、结束语

篇8：快速成型与快速模具技术在制造领域中的应用

快速成型制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing,RPM),就是根据零件的三维模型数据,迅速而精确地制造出该零件的现代加工技术。快速成型技术是特种加工技术中具有代表性的一种,被认为是最近20年来制造领域的一次重大突破,是目前先进制造领域研究的热点之一。集数控、机械CAD/CAM技术、激光加工、新材料科学等多种新型技术为一体的新技术[1]。

2 快速成型技术的分类及特点

随着机械CAD/CAM技术以及新材料科学技术的发展,快速成型技术逐渐发展成光固化成型工艺(SLA)、叠层实体制造工艺(LOM)、选择性激光烧结成型工艺(SLS)、熔融沉积快速成型工艺(FDM)、数码累积成型等10余种工艺方法[2]。

快速成型特点[3]如下。

(1)自由成型制造。其含义包括包括两个方面:一是指无需使用工具、模具而制造原型或零件,由此可以缩短新产品的试制周期并降低制造成本;二是指步骤产品形状复杂程度的限制,能制造出任意形状的机构和不同材料复合的原型或零件。

(2)制造过程快速。从建模到反求获得数据制成原型,一般需要数小时或者十几小时,速度比传统成型加工方法快很多,大大降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。

(3)添加式和数字化驱动成型方式。无论哪种快速成型的方式都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的,都是通过CAD数字模型直接或者间接驱动快速成型设备系统进行原型制造的。这是其区别于传统制造方法的显著特点。

(4)技术高度成型。快速成型技术填补了CAD与CAM之间的缝隙,新材料、激光技术、精密伺服驱动技术、计算机技术以及数控技术的高度集成,共同支撑了快速成型技术的实现。

(5)广泛的应用领域。除制造原型以外,该技术还适合于新产品的开发、单件及小批量零件制造、不规则或复杂形状零件制造、模具设计与制造、零件设计及外观评估和装配检验、快速反求与复制,也适合与难加工材料的制造等。不仅在制造业中有广泛的应用,而且在材料科学与工程、医学、文化艺术以及建筑工程等领域也有广泛的应用前景。

3 快速成型技术应用实例

基于快速成型技术,利用了SPS600光固化成型设备完成了图1手柄的制作。手柄制作分为三个前处理、原型制作和后处理三个阶段[3]。

3.1 前处理

前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、施加支撑和切片分层,实际上就是为原型的制作准备数据。三维实体造型是CAD模型的最好表示,也是快速原型制作必须的原始数据源。CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、SolidWorks等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现,图1给出的是小扳手在SolidWorks2008上的三维造型。

数据转换是对产品CAD模型的近似处理,主要是生成STL格式的数据文件。STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面,如图2所示。这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前,通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出,如图2所示。

摆放方位的处理是十分重要的,不但影响着制作时间和效率,更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等,因此,摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。

小扳手由于其尺寸较小,为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度,选择直立摆放,如图3所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批次,大端朝下摆放。

摆放方位确定后,便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型,支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行,也可以软件自动实现。软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查,进行必要的修改和删减。为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量,目前,比较先进的支撑类型为点支撑,即在支撑与需要支撑的模型面是点接触,图4示意的支撑结构就是点支撑。

支撑施加完毕后,根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片,生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件,提供给光固化快速原型制作系统,进行原型制作。图2~3给出的是该扳手的光固化原型。

3.2 快速成型制作

快速成型制作是将制作数据传输到成型机中,快速成型出零件的过程是快速成型技术的核心。制作流程为:在原型制作前,需要提前启动光固化快速成型设备系统,使得光敏树脂材料的温度达到38°C。设备运转正常后,启动原型制作控制软件,读入前处理生成的层片数据文件。当一切准备就绪后,就可以启动叠层制作了。整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的,所有叠层制作完毕后,系统自动停止。图5给出的是SPS600光固化成型设备在进行光固化叠层制作时的界面。界面显示了激光能源的某些信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总的叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。

3.3 后处理

零件制作完成后升出工作台,取出制作零件,在小扳手成型后需要进行辅助处理工艺,包括零件的清洗、支撑去除、后固化、修补、打磨等,目的是获得一个表面质量与机械性能更优的零件。最终完成的小扳手如图6所示。

4 结束语

快速成型技术是多种先进制造技术结合而产生的一种特种加工方法。在现代制造业中的应用越来越广泛,同时结合不同的加工环境产生10余种快速成型的方法。本文以小扳手为例说明快速成型制造的基本过程,并说明其特点和应用范围。快速成型技术作为一门处于发展完善过程的高新技术,将推动相关技术、产业的发展,与其他技术的结合运用将是制造业发展的趋势[4]。

摘要：介绍快速成型技术的原理及特点,并通过小扳手制作实例阐述了快速成型技术的应用过程,展现了产品开发中的应用现状。

关键词：快速成型,光固化,现代制造业

参考文献

[1]夏鹏,王丞,马明亮.快速成型技术应用现状及发展趋势[J].九江学院学报,2008(3):55-57.

[2]赵少君.快速成型技术的发展与应用[J].科技经济市场,2009(4):19-21.

[3]王广春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

篇9：快速成型技术在模具制造中的应用

快速成型技术（RP）作为一种正在成熟的先进制造技术，已成功的实现了快速原型制造，正向快速制造方向迅速发展。研究和了解快速成型技术在快速制模方向的应用，找出一些需要解决的问题。

一、RP技术概论

当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本、高科技的方向发展，快速地将多样化、性能好的产品推向市场成为了制造业厂商把握市场先机的关键。快速成型技术（RP）正是在这种时代的需求下应运而生的。它是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

二、RP技术的模具制作方法

传统的模具制造方法可分为两种，一种是借助母模翻制模具，另一种就是用数控机床直接制造模具，将快速成型技术引入模具制造过程后的模具开发制造就是快速模具制造。快速成型技术在模具制造领域的应用主要是用来制作模具设计制造过程中所用的母模，有时也用快速成型技术直接制造模具。因此分为两类：直接制模法和间接制模法。

（一）直接制模法

SLS激光粉末烧结。一般的工艺流程为：先在基底上铺上一层粉末，压辊压实后，用激光有选择的烧结一个层面。然后新的一层粉末通达铺粉装置铺在上面，进行下一层烧结，反复进行直至得到最终的零件。目前主要有两种商品化的SLS工艺：一是美国DTM公司的RapidTool工艺；另一种是德国EOS公司的DirectTool工艺。

3D打印。3D打印技术已发展成可利用喷头有选择地向金属粉末喷射粘结剂，利用粘结剂使金属粉末成型。这种低密度的（约为50%）成型件也要经过去除粘结剂和渗铜处理，最终得到密度达92%以上的模件。其成型厚度为0.17mm，因而其尺寸精度只达到±0.1mm的水平。这种方法的优点是可以制造的材料多种多样，这种多样性既可体现在不同模件上，也可体现在同一个模件上，其尺寸也可以比较大，几何形状任意，过程简单，是一种比较看好的技术。

光固化法制作注射成型模具。以环氧树脂基的光敏树脂为原料在SL设备上成型的方法。它用密集激光束过量扫描待成型表面，即激光束扫描间距很小，甚至部分重合，同时照射非常均匀。该法制作的快速成型件的精度和表面光洁度在目前所有RP方法中是最好的，因此常用它来制作模具制造中所用的母模。用此种方法直接制作注射模的型腔或型芯，也达到了非常好的效果，可用于注射多种热塑性的塑料，寿命达200件，价格适中，制作时间一般在2星期左右。

（二）间接制模法硅胶模。

硅胶模应用非常广泛，硅胶模具有制作速度极快，可以浇铸多种热固性塑料，成型件具有较好精度，价格非常便宜等优点，但硅胶模不能制作精度要求很高的零件，寿命短，通常只能浇铸25～30件。

环氧树脂模具。环氧树脂的导热性极差，用纯环氧树脂制作的模具进行注塑成型时的热量难以散出，解决的办法就是制作环氧树脂的模具特征表面，背后充填导热性好的材料。这样制作的模具具有很好的抗压强度，完全可以用于象注塑成型那样的压力成型，具有研磨性的材料也可以注塑，寿命达数千件。

表面喷涂金属的模具。此种模具用于注射成型的寿命可达2500件左右。研究成果表明，若在母模表面喷涂镍可进一步提高模具使用寿命，因其具有较高表面硬度和耐磨性，抗腐蚀性好，开模后注射成型件容易取出。这样的模具在不到两天时间内就可制作完成。注意这类模具的使用温度不能超过300℃。

三、RP的快速模具制造需解决的问题

利用RP技术发展快速模具制造技术还存在以下主要问题需要解决或者说需要进一步提高。

①表面质量如何满足模具的要求，否则无法承受如注射成型这样的高压。②尺寸精度如何满足模具制造的要求，尤其是制造较大模具时，尺寸更不稳定。③用作母模时的强度，耐热和耐腐蚀性，形状和尺寸的时效问题。④塑料或树脂类模具的导热性很差，导热差虽然带来了可用较低注射压力的好处，但生产周期太长也必须考虑。⑤多数所谓金属模具都需要最后渗铜，这就造成这种金属模具的使用温度不可太高，可能超过500℃就不行了。⑥使用寿命的进一步延长和使用成本的进一步降低。⑦目前所能制造的模具的体积都很小，怎样制造大型模具？⑧受不可缺少的后处理工序的限制，目前还不能制造具有很小细节特征的模具，尤其是具有内凹形状的模具。⑨目前快速成型方法所能成型的材料种类及其有限，需要开发新型材料。

四、结语

快速成型技术的应用已从原型制造发展到模具制造，使传统的模具制造技术焕发出新的活力，同时快速成型技术在快速模具制造领域的成功应用无疑会给快速成型技术的进一步发展注入新的生命力。需要注意的是：

（一）随着快速成型技术的进一步发展，它在小批量生产和单体复制领域还是大有可为的。

（二）快速成型技术对模具制造的贡献，虽然现阶段制作的快速模具质量和寿命还不太尽人意，实践证明仍然可以应用于中小批量的注塑成型和模压铸造，相信快速模具制造技术会在短期内有很大突破。

【参考文献】

[1]赖耀平，刘美坚.基于RP的快速制模技术[J].模具制造，2003（18）

[2]邓明，彭成允.RP技术在模具制造中的应用[J].锻压技术，1999（06）

[3]焦向东，邓双成，张沛.基于快速成型原理的模具制造技术[J].石汕化工高等学校学报，2002（01）

篇10：逆向工程技术在模具制造中的应用

随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面，在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering)。

所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。

逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。逆向工程是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。与传统设计方法的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。

一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：

(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。

(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。

(3)损坏或磨损零件的还原。

(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。

逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。

二、逆向工程技术实施的条件

1.逆向工程技术实施的硬件条件

在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备有了很大发展。例如，英国雷尼绍公司的CYCLON2高速扫描仪，可实现激光测头和接触式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0.05mm，接触式扫描测头精度可达0.02mm。可对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描。德国GOM公司的ATOS扫描仪在测量时，可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影象处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m。ATOS扫描不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、摩托车内外饰件的造型工作。此外，日本罗兰公司的PIX-30网点接触式扫描仪，英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN 150多传感扫描仪等，集中体现了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点。为实现从实物——建立数学模型——CAD/CAE/CAM一体化提供了良好的硬件条件。

不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。

2.逆向工程技术实施的软件条件

目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统;Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统;H.H.Danz de CNC CMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的提高，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。

三、逆向工程设计前的准备工作

做一个逆向设计的工作，可能比做一个正向设计更具有挑战性。在设计一个产品之前，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能要修复或克服原有模型上存在的缺陷。从某种意义上看，逆向设计也是一个重新设计的过程。在开始进行一个逆向设计前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑以下一些要点：

(1)确定设计的整体思路，对自己手中的设计模型进行系统地分析。面对大批量、无序的点云数据，初次接触的设计人员会感觉到无从下手。这是应首先要周全地考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是将模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路，并找到设计的难点，基本做到心中有数。

(2)确定模

四、逆向工程工作中应该注意的问题

在实际设计中，目前存在的这些软件还存在着其较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低;点云数据的处理方面功能弱;建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高;集成化程度低等问题。例如，Surfacer软件在读取点云等数据时，系统工作速度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过Surfacer进行面的拟合时，软件所提供的工具及面的质量却不如其它的CAD软件如Pro/E、UG等。在很多时候，在Surfacer里做成的面，还需要到UG等软件中修改。但是，使用Pro/E、UG等软件读取点云数据时，却会造成数据庞大的问题，对它们来说，一次读取如此多的点是比较困难的。

在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用、取长补短的方式。例如上海交通大学模具技术研究所承接的逆向工程项目，采用了Surfacer与UG和Pro/E功能结合的方法，在具体操作中，使用Surfacer进行点、线处理，得到基本控制曲线，然后使用UG和Pro/E引入控制线的数据，进行曲面造型。其中，Pro/E应用的模块主要有ICEM Surf、Pro/DESIGNER(CDRS)等，UG使用的模块主要是UG/Modeling和UG/Surface模块。这几个设计模块都是一般CAD设计时常用到的。

值得注意的是，在设计过程中，并不是所有的点都是要选取的，因此，在确定基本曲面的控制曲线时，需要找出哪些点或线是可用的，哪些点或线是一些细化特征的，需要在以后的设计中用到，而不是在总体设计中就体现出来的。事实上，一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时应尽量选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合。

五、曲线曲面的光顺处理

由于测量过程中测得的是离散点数据，缺乏必要的特征信息，往往存在数字化误差，需要对曲面和曲线进行光顺。光顺是一个工程上的概念，包括光滑和顺眼两方面的含义。光滑是指空间曲线和曲面的连续阶，数学上一阶倒数连续的曲线即为光滑的曲线;而顺眼是人的主观感觉评价。对于平面曲线，光顺需要满足以下几点：曲线C2连续;没有多余拐点;曲率变化均匀。在逆向设计中，曲线的光顺性调节是非常重要的。扫描或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺，为了构造出一条光顺的插值曲线，需要修正原形值点序列，利用软件的相关功能模块进行调节。目前采用的曲线光顺方法主要是能量法和圆率法。设计的准则是曲线上曲率极值点尽可能少些;相邻两个极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。

曲面的光顺往往归结为网格的光顺。所谓网格的光顺，其含义是指网格的每一条曲线都是光顺的，光顺的曲面，应该是没有凸区和凹区的。在数学上，判断曲面是否满足上述条件的依据是高斯曲率。在一般CAD软件中，可以到分析模块中使用高斯曲率法对曲面进行分析。当曲面曲率变化比较均匀时，即可为达到设计要求。若曲面质量很差，需要对构成的曲线进行重新调整，直至曲面让人满意为止。

逆向工程既要保证曲面质量，又要保证设计精度。除了对原始型值点进行光顺之外，有时还要控制修改后的型值点同原始型值点的坐标偏差，该偏差不应太大，以保证设计部门给出的指标不致受太大的影响。

六、结束语

逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大，将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。

型的基本构成形状的曲面类型，这关系到相应设计软件的选择和软件模块的确定，

对于自由曲面，例如汽车、摩托车的外覆盖件和内饰件等，一般需要采用具有方便调整曲线和曲面的模块;对于初等解析曲面件，如平面、圆柱面、圆锥面等则没必要因为有测量数据而用自由曲面去拟合一张显然是平面或圆柱面的曲面。

一、逆向工程技术的内容及其应用范围

随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering)。