快速成形與快速模具技術的應用
更新時間：2008-9-1 15:59:48 文章來源：互聯網 點擊：
關鍵字：
概念設計；塑料成形；生物醫學；組織工程
摘 要：
快速成形與快速模具技術是近20年來制造領域的突破性進展，它在成形原理上與傳統方法迥然不同，可以顯著地縮短產品開發周期，降低成本，提高企業的競爭力，因此在許多行業中獲得了廣泛的應用。按照應用的領域，可將這些應用歸納為工業領域和生物醫學領域
快速成形與快速模具技術是近20年來制造領域的突破性進展，它在成形原理上與傳統方法迥然不同，可以顯著地縮短產品開發周期，降低成本，提高企業的競爭力，因此在許多行業中獲得了廣泛的應用。按照應用的領域，可將這些應用歸納為工業領域和生物醫學領域兩大方面（見圖1）。
1 快速成形與快速模具技術應用的流程
采用快速成形與快速模具技術，實現上述應用的流程如下（見圖2）：
（1）用快速成形機制作原型件
根據正向設計或逆向設計得到的產品三維圖形文件，選用適合類型的快速成形機，在很短的時間內制作出產品的原型件。
（2）借助原型件，征求修改意見
向設計人員和用戶提供快速成形的產品原型件，使他們能直觀地進行觀察、測試，并與原始設想和要求進行比對，從而可以及時提出修改意見。
（3）修改有關設計
設計人員根據快速成形的原型件和各方面提出的意見，迅速修改產品的設計，產生新的三維圖形文件。
（4）用快速成形機再制作原型件，反復征求意見和修改設計
根據產品的新三維圖形文件，用快速成形機再制作原型件，反復征求意見和修改設計，直到滿意為止。
（5）將原型件當作母模，制作硅橡膠模
采用快速模具技術，將快速成形的原型件做母模，澆注硅橡膠模，借助這種模具可以試制產品的少量塑料件或金屬件。
（6）借助試制產品，再征求意見、修改設計和制作原型件
用硅橡膠模試制的產品不僅在性能上更接近真實產品，而且有一定的數量，因此可以據其進行更全面、更深層次的檢驗和征求意見，并在此基層上再修改設計和制作原型件。
（7）將原型件當作母模，制作快速過渡模
采用快速模具技術，將快速成形的最新原型件做母模，復制快速過渡模，借助這種模具可以生產幾百至上千件的產品。
（8）將原型件當作母模，制作快速批量生產模
采用快速模具技術，將快速成形的最新原型件做母模，復制快速批量生產模，借助這種模具可以大批量生產產品。
2 快速成成形與快速模具技術在工業領域的應用
快速成成形與快速模具技術在工業領域有如下四個方面的主要應用。
2.1 產品外觀評價
新產品的研發往往是從外形設計開始的，外形是否美觀、實用是現代產品極為重要的一個評價指標。為此，設計師必須首先進行概念設計，畫出產品的二維或三維草圖，再通過CNC機床和手工加工制作原型件（即樣品，俗稱手板或首板），并根據這種原型件來評價產品的外觀。有些急于投放市場的產品由于時間倉促，或者形狀太復雜、缺乏原型件制作手段等原因，甚至只好直接根據初始設計進行批量生產，而無法預先評價外觀并進行修改。
采用快速成形技術能及時、方便地制作原型件，特別是形狀復雜的原型件，與CNC機床和手工加工相比，原型件的形狀愈復雜，快速成形的優勢愈明顯，從而為新產品的外觀評價能提供十分優越的條件。
圖3～圖5是一些用快速成形機制作的原型件，從這些例子可見，如果不用快速成形而用其它方法來制作這類復雜原型件，勢必相當困難，因此能充分反映快速成形技術的優點。
2.2 產品結構、尺寸與裝配關系的驗證
通常，一個產品是由若干個零部件構成的，決定產品性能的因素不僅僅是零部件本身的結構與尺寸，而且還包括他們之間的配合關系，因此，設計者迫切希望在產品正式生產之前，盡早地發現并糾正零部件的結構、尺寸和裝配關系上的錯誤。
用快速成形機制作原型件無需傳統的機床與工模具，這些原型件既可用于檢驗零部件本身的結構與尺寸，也可用來檢驗彼此的裝配關系，從而能在設計初期及時發現與糾正錯誤，顯著縮短研發周期，減少或避免返工，提高產品性能。
圖6和圖7是用快速成形原型件檢驗裝配關系的兩個例子，其中，圖7b是用快速成形機制作的汽車空調葉輪的裝配件。
2.3 產品的性能分析與測試
許多重要產品在其研發階段必須進行性能分析與測試，如有限元分析、應力測試、空氣動力學測試等。圖8是可用于風洞中進行空氣動力學試驗的快速成形飛機模型。據報道，如果用CNC機床或手工來制作風洞試驗的飛機模型，需要幾周的時間，而且精度也不如快速成形件理想。圖7a中箭頭所指的是汽車空調，其中安裝了用于測試的快速成形葉輪原型件。
2.4 模具/工具的快速制作
（1）鑄造模具的快速制作
在傳統的鑄造生產中，鑄造模具（如模板、芯盒、蠟模壓型）等一般是用機加工和手工完成的，不僅加工周期長，費用高，而且精度不易保證。對于一些形狀復雜的鑄件，模具的制造一直是老大難問題。快速成形與快速模具技術為使鑄造工藝縮短周期、降低費用、提高精度提供了一條捷徑，例如：
1）快速成形木模的替代模。砂型鑄造中廣泛采用木模（包括木芯盒），這種模具用木材經干燥防腐處理及切削加工而成。各種快速成形的原型件都可以替代木模，其優點是：無需高水平的木模工和相應的木工機械，根據鑄件的設計圖紙，就能在很短的時間內，用快速成形機制作出高精度的“木模”，特別是形狀復雜、難于加工和需要多塊組合的木模，其優勢更為突出。用快速成形件做母模澆注而成的鋁填充環環氧樹脂模，可以替代木模，用于重復制作50～100件砂型。
2）直接成形砂型(無木模鑄造)。采用激光燒結快速成形機可以直接燒結樹脂砂得到砂型，而無需制作產生砂型的木模(或金屬模)。
3）成形失蠟鑄造用蠟模。失蠟鑄造是一種常見的精密鑄造方法，它使用的蠟模通常用機加工的金屬壓型注射蠟而成。為避免制作金屬壓型，可以用激光燒結快速成形機燒結蠟粉，直接得到蠟模；或者用快速成形件做母模澆注而成硅橡膠壓型，這種壓型可以在真空澆注機上澆注蠟模；或者用快速成形件做母模澆注而成鋁填充環氧樹脂模壓型，這種壓型可重復注射1000～10000件蠟模。
（2）塑料件與塑料成形模具的快速制作
塑料成形包括注射成形（又稱注塑成形）、真空成形與中空成形等幾種成形工藝。快速成形與快速模具技術在塑料成形中的應用如下：
1）用快速成形機直接制作塑料件
熔融擠壓、激光固化和激光燒結快速成形機能直接制作塑料件。
2）用快速成形件做母模澆注而成的硅橡膠模或環氧樹脂模，借助雙組分聚氨酯的反應成形得到塑料件。
3）用快速成形件做母模澆注而成的鋁填充環氧樹脂模，或電鑄而成的ExpressTool模，通過熱注射成形或中空成形工藝制作塑料件。
4）用快速成形件做母模澆注而成的鋁填充環氧樹脂模，通過真空成形工藝制作塑料件。
（3）板金成形模具的快速制作
快速模具在板金成形中的典型應用有拉深模與液壓成形模，這兩種模具都用于金屬板材的拉深成形。
可用于板材拉深成形的快速模具有：低熔點合金模、聚氨酯模、電鑄鎳殼－陶瓷背襯(NCC)模和氣相沉積鎳殼－背襯(NVD)模。
（4）電火花成形電極的快速制作
電火花成形最適合成形難加工的金屬及特征(如不規則的孔)，常用于制作復雜的注射成形模與鍛模。其中，電極應有良好的熱導率、電導率、機加工性與高熔點，通常用銅及其合金、石墨經機加工而成，其制造周期長，成本高。快速制作電極的方法主要有如下幾種：
1）用快速成形母模澆注碳化硅研磨模，再用此模研磨石墨塊，逐步切出與其形狀相反的精密輪廓，構成所需的石墨電極。
2）用快速成形件做母模，通過電鑄得到電極的鎳殼，再澆注銅或錫背襯構成電極。
3．燒結金屬電極。采用激光燒結快速成形機燒結青銅合金粉，能直接成形電極，用于制作注射成形模或鍛模。
3 快速成成形與快速模具技術在生物醫學領域的應用
快速成形與快速模具技術的應用起源于工業領域，但是，近年來在生物醫學領域的應用發展得非常快，主要有以下四個方面。
3.1 手術策劃
醫生診斷病情和確定手術方案的一個重要手段是CT / MRI（磁共振）掃描， 這些掃描的結果是人體器官的一組二維截面（切片）照片。由于病人缺乏人體解剖和病理知識，難于根據器官的二維掃描照片想象出三維實體的形貌，因此，醫生要想通過CT / MRI掃描照片向病人解釋病情并非易事。對于經驗不足的年輕醫生，要根據CT / MRI掃描照片準確判斷病情也有一些困難。
顯然，借助快速成形技術，能將CT / MRI掃描的結果變成實體模型，無疑對于醫生判斷病情，以及向病人解釋病情都有很大的幫助，所以，快速成形是CT / MRI掃描的延伸與發展，一些專家預言，如同X光、CT一樣，快速成形機即將成為醫院的一種必備設備。
利用快速成形的病人器官的實體模型，醫生可以直觀地討論手術方案，并在模型上預先模擬手術的操作過程，從而為完善和最終確定手術方案提供依據。例如，圖9a是根據一位盆骨損傷導致嚴重畸形病人的CT掃描轉換而成的STL格式圖形，圖9b是用熔融擠壓快速成形機制作的實體模型，醫生借助此模型能準確地判斷骨折的類型、部位和嚴重程度，從而能制定切實可行的手術方案。
3.2 植入性假體的制作
醫療用植入性假體用金屬、塑料、陶瓷等材料，經過鑄造、鍛造、沖壓、切削加工或模壓、燒結而成，并且，一般為制造廠的標準系列產品，很少有針
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