一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法
【專利摘要】一種基于三維打?。?DP）技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法，樹脂模具用CAD/CAM技術(shù)生成三維模型并進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換后，利用3DP工藝進(jìn)行模具的快速成型加工，燒結(jié)的成型件經(jīng)過簡單處理后，將樹脂混合液涂料均勻涂抹于燒結(jié)件上，并進(jìn)行固化處理，便得到了實際生產(chǎn)所需要的樹脂模具。本發(fā)明具有工藝成熟穩(wěn)定、降低成本、縮短研發(fā)和制造周期、提高模具精度和強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:本發(fā)明涉及一種樹脂模具的快速成型制造方法，尤其是一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法，屬于模具工程領(lǐng)域。
[0002]【背景技術(shù)】:目前廣泛使用的鑄造模具有木模具、金屬模具、塑料模具、玻璃鋼模具和樹脂模具等，其制造方法主要有:手工機(jī)械加工、計算機(jī)數(shù)控加工，使用加工的母模翻制。這些模具的制造方法均需采用機(jī)械加工的方法制造，隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展，也有采用快速成型技術(shù)制造紙質(zhì)模具的先例。但這些制造方法均不同程度存在各自的缺陷，因此需要研究一種制造成本較低，可用于批量生產(chǎn)的模具制造方法。
[0003]基于3D打印技術(shù)的樹脂模具的快速成型，使樹脂模具有好的耐磨性、高強(qiáng)度、不變形等特點(diǎn)的同時，還很好地解決傳統(tǒng)模具制造中出現(xiàn)的一些缺陷，應(yīng)用于實際生產(chǎn)后，可以顯著提高企業(yè)的效益。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
:針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法:樹脂模具用CAD/CAM技術(shù)生成三維模型并進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換后，利用3DP(三維印刷)工藝進(jìn)行模具的快速成型加工，燒結(jié)的成型件經(jīng)過簡單處理后，將樹脂混合液涂料均勻涂抹于燒結(jié)件上，并進(jìn)行固化處理，便得到了實際生產(chǎn)所需要的樹脂模具。
[0006]優(yōu)選的，所述的CAD/CAM技術(shù)，為CAD/CAM領(lǐng)域廣泛使用的UG軟件。利用三維設(shè)計簡單、直觀、便于進(jìn)行力學(xué)分析和全相關(guān)設(shè)計等特點(diǎn)，根據(jù)顧客的實際需要作相應(yīng)的修改，使樹脂模具在研發(fā)階段便可以減少時間，并對模具在生產(chǎn)和使用過程中出現(xiàn)的問題及時對樹脂模具進(jìn)行修改。
[0007]優(yōu)選的，所述格式的轉(zhuǎn)換，是在計算機(jī)輔助軟件里將三維模型轉(zhuǎn)換成STL格式。STL文件具有可視化、旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等圖形功能，將其導(dǎo)入快速成型機(jī)的工控機(jī)后，自動切片軟件可以直接讀取STL文件。利用STL文件的容錯切片技術(shù)，不需要另配糾錯軟件和人工糾錯，使工控機(jī)操作流程更為簡潔。
[0008]優(yōu)選的，所述的利用3DP工藝進(jìn)行模具的快速成型加工時，快速成型機(jī)采用紅外激光器作為能源，使用的造型材料大多為粉末材料，在這里選用的粉末是聚苯乙烯(PS)粉末。加工的時候，首先將粉末預(yù)熱到熔點(diǎn)的溫度，并在刮平棍滾動作用下將粉末鋪平，高強(qiáng)度二氧化碳激光器在計算機(jī)的控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行著有選擇性的燒結(jié)，PS粉末在高強(qiáng)度激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成型的部分連接。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層PS粉末，再進(jìn)行下一層選擇性的燒結(jié)。燒結(jié)完成之后去掉多余的粉末，便可以得到樹脂模具的成型件。
[0009]優(yōu)選的，所述的利用3DP工藝進(jìn)行模具的快速成型加工時，快速成型機(jī)的預(yù)熱溫度設(shè)定在100°c左右，溫度太高會燒壞粉末或結(jié)成太硬的塊，不利于成型；溫度太低就難以達(dá)到激光燒結(jié)的目的，造成松軟，力學(xué)性能不夠。激光掃描速率為1500mm/s左右，掃描太快，會造成質(zhì)量無法保證，燒結(jié)件出現(xiàn)問題；掃描速率太慢，就會延長加工時間，降低加工效率。燒結(jié)層厚0.2_，燒結(jié)層太厚，可能有些粉末燒結(jié)不到導(dǎo)致燒結(jié)件不完整；燒結(jié)層太薄，會延長成型時間。掃描功率18W，掃描功率太小，導(dǎo)致燒結(jié)件的松動、不結(jié)實；功率太大，在燒結(jié)時會出現(xiàn)變形的現(xiàn)象。
[0010]優(yōu)選的，Power RP軟件會根據(jù)輸入的STL文件和對模具的三維實體分割的切片情況計算出燒結(jié)件所需要的時間，并顯示在軟件界面上。一般情況下，制作燒結(jié)件所花費(fèi)的時間要比顯示的時間多出2?7個小時。原因在于快速成型機(jī)開始工作時需要半個小時左右的緩慢升溫，激光燒結(jié)的時候生成很多的支撐也需要花費(fèi)很長時間。在此，支撐不僅支托了燒結(jié)件，還加固了燒結(jié)件，利于后續(xù)的處理工作。
[0011]優(yōu)選的，所述的樹脂混合液涂料包括環(huán)氧樹脂、環(huán)氧稀釋劑和環(huán)氧固化劑，其各成分的比例可能需要根據(jù)樹脂模具的實際工作環(huán)境來進(jìn)行調(diào)整，但是其混合的先后順序卻不能改變，必須先將環(huán)氧樹脂和環(huán)氧稀釋劑均勻混合后，再加入環(huán)氧固化劑。環(huán)氧樹脂粘結(jié)的強(qiáng)度很高，粘結(jié)的面域廣，具有良好的混溶性，可以與固化劑、稀釋劑、無水乙醇等充分融合，發(fā)揮效應(yīng)，固化后的環(huán)氧樹脂還有良好的機(jī)械加工性能，使得基體件有很強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。環(huán)氧稀釋劑可以降低環(huán)氧樹脂的黏度，使環(huán)氧樹脂混合液在涂抹工藝中有良好的滲透、流動性能，使其涂抹的表面有更好的光滑度，增強(qiáng)吸附性能，改善涂層的外觀等方面有著不可替代的作用。環(huán)氧固化劑使環(huán)氧樹脂在常溫下凝聚，并在一定的加熱條件下使樹脂混合液產(chǎn)生固化反應(yīng)并生成三維網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，使得環(huán)氧樹脂涂料顯示出優(yōu)良的特性，具有真正的使用價值。這些溶劑按照一定比例和順序混合后便得到適合實際生產(chǎn)需要的樹脂混合液涂料。
[0012]優(yōu)選的，所述的固化處理，需要等均勻涂抹于燒結(jié)件上的樹脂混合液凝結(jié)后，再將其放入恒溫箱進(jìn)行固化。溫度對增強(qiáng)樹脂模具硬度，減少固化時間，提高固化效率，增強(qiáng)固化件硬度等有顯著的作用，合適的溫度還能使樹脂模具基本不變形，尺寸微小的增加基本不影響后期處理工作。在此溫度的設(shè)定(30°C -70°C )和時間的長短(3?7個小時)均需根據(jù)樹脂模具的大小、結(jié)構(gòu)等具體情況的不同來分別確定。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為:
[0014]1.工藝成熟穩(wěn)定。本發(fā)明采用的樹脂模具三維模型的生成所需要的UG軟件已廣泛應(yīng)用與機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，樹脂模具的生成、修改和格式轉(zhuǎn)換很容易實現(xiàn)。3DP技術(shù)所采用的相關(guān)設(shè)備、材料也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于快速制造領(lǐng)域。樹脂研究領(lǐng)域在國內(nèi)外也取得了很大成果，并在實際生產(chǎn)中得到了認(rèn)可。
[0015]2.降低成本。本發(fā)明除了樹脂模具三維模型的生成和修改需要專業(yè)人員外，其余生產(chǎn)過程的工藝簡單，減少了工人數(shù)量和對工人素質(zhì)的要求，降低了生產(chǎn)成本。生產(chǎn)過程中所需要的PS粉末和樹脂混合液涂料的成分可以很容易的在市場上獲得，降低了采購成本。
[0016]3.縮短研發(fā)和制造周期。本發(fā)明實現(xiàn)了無紙化作業(yè)，樹脂模具的研發(fā)和生產(chǎn)可以同時進(jìn)行，并能根據(jù)樹脂模具使用過程中出現(xiàn)的問題及時進(jìn)行修改。3DP技術(shù)的應(yīng)用使樹脂模具成型的時間大為縮短，既能適應(yīng)研發(fā)階段對小批量甚至單件模具的需求，也能滿足大批量生產(chǎn)的需要。樹脂模具的后期處理工藝也比較簡單，將樹脂混合液均勻涂抹于燒結(jié)件上進(jìn)行固化處理后，對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行簡單處理便可以得到用于實際生產(chǎn)的樹脂模具。
[0017]4.提高模具精度和強(qiáng)度。本發(fā)明基于3DP工藝處理后的燒結(jié)件，將樹脂混合液涂料均勻涂抹在燒結(jié)件并在一定溫度下固化后，模具整體尺寸基本沒有變化，微小的尺寸變化也可以通過簡單地后期處理來消除，使得樹脂模具的精度大大提高。在合適溫度固化后，模具的強(qiáng)度和耐磨性也提高不少。
【具體實施方式】:
[0018]根據(jù)顧客所提供的樹脂模具的圖紙，利用UG軟件進(jìn)行三維模型的生成并將其轉(zhuǎn)換為STL格式并導(dǎo)入快速成型機(jī)，操縱快速成型機(jī)上Power RP軟件，將相關(guān)參數(shù)設(shè)定好即可進(jìn)行樹脂模具的快速成型制造。樹脂模具的成型件制造完畢并去除多余粉末后，將樹脂混合液涂料均勻涂抹在燒結(jié)件上，根據(jù)樹脂模具的大小、結(jié)構(gòu)等具體情況的不同來分別確定固化時恒溫箱的溫度和時間長短。固化好后只需對樹脂模具進(jìn)行簡單的處理便可以得到實際生產(chǎn)所需要的樹脂模具。
[0019]本發(fā)明的原理:
[0020]利用3DP系統(tǒng)獲得給定的樹脂模具三維模型數(shù)據(jù)參數(shù)的幾何圖形切面信息，生成x-y方向激光掃描器的運(yùn)動指令，并根據(jù)這些指令在各層粉末上進(jìn)行數(shù)控掃描。平整粉末的滾動會將粉末一層一層的均勻鋪在工作臺上，工作臺也會按照給定的程序指令進(jìn)行有序的升降。每一層粉末都經(jīng)過平整粉末滾筒壓平后，其厚度均相當(dāng)于CAD模型切片的厚度。每一層經(jīng)過激光掃描到的地方，都會被凝結(jié)到一個實體上，那些沒有被掃描到的粉末回收后依然可以利用，直到生成一個完整地實體模型為止。
[0021]經(jīng)過3DP工藝燒結(jié)后的原型實體仍然是多孔材料，硬度、強(qiáng)度較低。將其表面多余的粉末去掉之后，在表面上涂抹配好的樹脂混合液涂料，并進(jìn)行固化處理，提高其強(qiáng)度和硬度，從而得到實際生產(chǎn)需要的樹脂模具，并且保證得到的模具尺寸不會發(fā)生太大的變化。
[0022]綜上所述，本發(fā)明給出了一種樹脂模具的快速成型制造方法，它具有工藝成熟穩(wěn)定、降低成本、縮短研發(fā)和制造周期、提高模具精度和強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明在整個模具的研發(fā)和生產(chǎn)階段，均可以對模具的設(shè)計進(jìn)行修改，并能根據(jù)實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及時對模具進(jìn)行改進(jìn)，使產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和后期處理緊密的結(jié)合在一起，縮短了研發(fā)周期。由于快速成型制造技術(shù)和樹脂混合液涂料的運(yùn)用，使得樹脂模具的制造時間大大縮短，不僅滿足了實際生產(chǎn)中對樹脂模具的各種要求，還簡化了樹脂模具的生產(chǎn)工藝，使生產(chǎn)成本和采購成本大大降低。本發(fā)明既能滿足研發(fā)階段對小批量甚至單件產(chǎn)品的需要，還能實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，適應(yīng)了激烈的市場競爭對模具的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法:樹脂模具用CAD/CAM技術(shù)生成三維模型并進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換后，利用3DP工藝進(jìn)行模具的快速成型加工，燒結(jié)的成型件經(jīng)過簡單處理后，將樹脂混合液涂料均勻涂抹于燒結(jié)件上，并進(jìn)行固化處理，便得到了實際生產(chǎn)所需要的樹脂模具。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法，其特征在于:所述的CAD/CAM技術(shù)，為CAD/CAM領(lǐng)域使用的UG軟件。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法，其特征在于:所述格式的轉(zhuǎn)換，是在計算機(jī)輔助軟件里將三維模型轉(zhuǎn)換成STL格式。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法，其特征在于:所述的利用3DP工藝進(jìn)行模具的快速成型加工時，快速成型機(jī)采用紅外激光器作為能源，選用的粉末是聚苯乙烯粉末；加工的時候，首先將粉末預(yù)熱到熔點(diǎn)的溫度，并在刮平棍滾動作用下將粉末鋪平，高強(qiáng)度二氧化碳激光器在計算機(jī)的控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行著有選擇性的燒結(jié)，聚苯乙烯粉末在高強(qiáng)度激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成型的部分連接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層聚苯乙烯粉末，再進(jìn)行下一層選擇性的燒結(jié)；燒結(jié)完成之后去掉多余的粉末，便可以得到樹脂模具的成型件。
5.如權(quán)利要求4所述的一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法，其特征在于:所述的利用3DP工藝進(jìn)行模具的快速成型加工時，快速成型機(jī)的預(yù)熱溫度設(shè)定在100°C，激光掃描速率為1500mm/s，燒結(jié)層厚0.2mm，掃描功率18W。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法，其特征在于:所述的樹脂混合液涂料包括環(huán)氧樹脂、環(huán)氧稀釋劑和環(huán)氧固化劑，必須先將環(huán)氧樹脂和環(huán)氧稀釋劑均勻混合后，再加入環(huán)氧固化劑。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)樹脂模具的快速成型制造方法，其特征在于:所述的固化處理，需要等均勻涂抹于燒結(jié)件上的樹脂混合液凝結(jié)后，再將其放入恒溫箱進(jìn)行固化。
【文檔編號】B29C67/00GK103600494SQ201310548406
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】尚曉峰, 王建平, 張可剛, 林峰云, 孫永賀, 尚進(jìn), 劉廣克, 楊申波 申請人:尚曉峰