由于传统模具的制作过程较为复杂、耗时长且费用高,以致母模的制造往往成为设计和制造业的瓶颈。RP制造模具技术也称为RT(Rapid Tooling)快速模具制造技术,它是一种利用快速成型技术和新材料发展而产生的一门模具快速制造技术,一般认为能够制造可迅速实现单件及小批量生产的模具都可称为快速模具,其目的是使新产品上市时间大大提前,迅速占领市场。RT技术的出现大大简化了母模的制造过程。
我们可以将RT技术恰当地运用于产品的快速开发和设计之中,即在RE和RP所制成的原型件基础上,采用直接或间接制模的方法快速制造出所需要的模具,从而缩短制模时间, 减少成本及产品开发的固定费用, 促进企业产品的快速开发、创新设计与生产能力的形成, 从而增强企业的市场适应能力。
一、快速模具的分类与制造
从制造模具的材料上可以将RT分为快速软模(非金属)与硬模(金属)制造;从成型实际工件的数量与模具用途可以分为正式生产用的批量模具与小批试制(或过渡性)模具;从制造模具的流程可分为模具直接制造与间接制造。下面就从直接制模和间接制模两种不同工艺流程上阐述RT技术的具体工艺过程。
快速直接制模是用快速成型工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具;间接制模则是用快速成型件做母模或过渡模具,再通过传统的模具制造方法来制造模具。
(1)直接制模
① 直接制造树脂模
使用快速成型机利用树脂、尼龙等成型材料可直接制作树脂模具,然后将制作完成的模具,组合在注射模的模座上,用于实际的注射成型。也可制作出中空模具,以金属树脂灌注之,以强化内部结构,并且在模具表面,渗上一层树脂进行表面结构强化,即可承受注射成型的压力、温度,从模具烧结成型至注射塑料产品只需花费5~6天的时间。上述树脂模也可以作为吸塑模和型腔模使用。
②直接制造金属模具
第一,金属粉末大功率激光烧结成型技术
利用高功率激光(1000 W以上)对金属粉末进行扫描烧结,逐层叠加成型,成型件经表面后处理(打磨、精加工)即完成模具制作,制作的模具可作为压铸模、锻模使用。该方法与激光熔敷的工艺原理是一致的。
第二,混合金属粉末激光烧结成型技术
成型粉末为两种金属粉末的混合体,其中的一种熔点较低,起粘结剂的作用,利用低功率激光快速成型机对混合粉末进行激光烧结即可直接制作金属模具,用于批量较大的塑料零件和蜡模的生产。
第三,金属—树脂粉末激光烧结成型法
使用 SLS 方法,以覆膜金属粉末或金属与树脂的机械混合粉末为成形原料,通过选区烧结得到金属粘结实体,再经后处理(脱脂、高温烧结、渗金属等),直接形成金属模具。
(2)间接制模
间接制模的方法较多,比较常用的有以下三种。
① 金属喷涂制模法
采用喷枪将金属喷涂到快速成形的原型上形成一个金属硬壳层,将其分离下来,用填充铝粉的环氧树脂或硅橡胶支撑,即可制成注塑模具的型腔。这一方法省略了传统加工工艺中的详细画图、数控加工和热处理等三个耗时费钱的过程,因而成本只有传统方法的几分之一。
②硅胶模法
硅胶模的制备方法是将液体硅胶按照快速成形母模的分型线依次浇铸,待硅胶固化后,再将母模脱去,形成一副橡胶模具。硅胶模的特点是制模过程简单,不需专门设备,脱模容易。硅胶模适宜于蜡、树脂、石膏等浇铸成型方法。广泛应用于精铸蜡模的制作、艺术品的仿制和生产样件的制备。
③振动研磨法
振动研磨法是一种利用快速成形原型母模直接加工石墨电极(电火花加工用)的方法。首先利用原型制作一个环氧树脂的负型做为研磨头,将研磨头和石墨块安放在专用的石墨电极研磨机上,研磨头产生微小旋振,不断研磨石墨本体,在石墨块上研磨出与研具形状相反, 而与零件形状相同的石墨电极。
用振动研磨法加工石墨电极,使电极的加工自动化。一个研磨头可以反复用来研磨电极。一个损耗了的电极经过研磨头的修复即可复原。用快速成型制作电极的母模具有快速、精度高、尺寸易修改的特点。
二、快速模具主要应用领域
RT技术自诞生以来,发展迅速,目前其范围已涉到:
①汽车、摩托车外形及内饰件的设计、改型、装配试验,发动机、汽缸头试制;
②家电:各种家电产品的外形与结构设计,装配试验与功能验证,市场宣传;
③通讯产品:产品外形与结构设计,装配试验,功能验证;
④航空、航天:特殊零件的直接制造,风动型样机;
⑤医疗行业的器械,人体工程;
⑥工艺美术行业;
⑦文物保护行业等等。
对RE获得的较为精确的三维数据资料进行修改,并在RP、RT中进行产品的创新设计与开发,可以提高产品开发的效率与质量。此外,以RP件为母模的RT模具,较实物模型具有更大的优点,例如,用于文物复制赝品时,可避免不必要的损坏;对于一些难加工的薄壁件,可提高实物的重复利用率且不会伤及实物外表等等。与此同时,制作出的样品还可以进一步用于试制、评估和市场推广,为多品种小批量产品的快速开发提供了方便实用的途径,从而构建出基于RE/RP/RT的产品快速开发与创新设计新模式,为产品的快速开发与创新设计探索出一条捷径。