关于快速成型和硅橡胶模具的交流/讨论

liaofuc · 发表于 2005-7-11 16:03:24

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关于快速成型和硅橡胶模具的交流/讨论，QQ：277750889       lfcrp@126.com
大家好：
      我发现模具论坛里面很少有关于快速成型和硅橡胶模具方面的讨论，是这方面的知识大家不知道呢，还是不愿意透漏这方面的技术呢，我先来抛砖引玉吧：

                       快速成形与快速制模技术的发展

               
    本文综述了快速成形技术的发展状况，特别是这两年在快速成形系统、材料和快速制
模方面的最新成就，并分析了快速成形与快速制模技术的发展趋势。

    1、引言

    21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临信息社会中瞬息万变的市
场对小批量多种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和
减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。直接从计算机模型产生三维物体的快
速成形技术，是由现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的，它涉及机械工程、
自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，近年来，该技术迅速在工业造型、制造、建筑、
艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速成形/快速制模/快速制
造技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段。

    快速成形技术(Papid prototyping，以下简称RP)自80年代问世以来，在成形系统、
材料方面有了长足的进步，同时推动了快速制模(Rapid Tooling，以下简称RT)和快速制造
(Rapid Manufacturing，以下简称RM)的发展，90年代中末期是RP技术蓬勃发展的阶段。
我国的华中科技大学、清华大学、西安交通大学、北京隆源公司和南京航空航天大学等单位，
于90年代初率先开发RP及相关技术的研究、开发、推广和应用。到1999年，国内已有数
十台引进或国产RP系统在企业、高校、研究机构和快速成形服务中心运行。在国家科技部
的领导和支持下，先后成立了近十家旨在推广应用RP技术的“快速原型制造技术生产力促
进中心”，863/CIMS主题专家组还将快速成形技术纳入目标产品发展项目。此外，有相当一
部分高校将RP技术列入了“211”规划。国内投入RP研究的单位逐年增加，RP市场初步形
成。

    2、快速成形技术发展简史

    RP技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维物体的思想雏
形，最早出现在制造技术并不发达的19世纪。早在1892年，Blanthre主张用分层方法制
作三维地图模型。1979年东京大学的中川威雄教授，利用分层技术制造了金属冲裁模、成
型模和注塑模。

    光刻技术的发展对现代RP技术的出现起到了催化作用。
    20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的Alanj.Hebert(1978)、日本的小玉秀
男(1980)、美国UVP公司的Charles W.Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地
点各自独立地提出了RP概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。Charles
W.Hull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Sterolithography
Apparatus(SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。
同年，Charles W.Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司；随后许多关于快速成
形的概念和技术在3D System公司中发展成熟。与此同时，其它的成型原理及相应的成型机
也相继开发成功。1984年Michael Feygin提出了分层实体制造(Laminatde Object
Manufacturing，以下简称LOM)的方法，并于1985年组建Helisys公司，1990年前后开发
了第一台商业机型LOM—1015。1986年，美国Texas大学的研究生C.Deckaed提出了
Selective Laser Sintering(SLS)的思想，稍后组建成DTM公司，于1992年开发了基于SLS
的商业成型机(Sinterstation)ScottCrump在1988年提出了Fused Deposition Modeling(FDM)
的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。自从20世纪80年代中期SLA光成型
技术发展以来到90年代后期，出现了十几种不同的快速成形技术，除前述几种外，典型的
还有，3DP、SDM、SGC等。目前，SLA、LOM、SLS和FDM四种技术比较成熟。

    3、RP技术的新进展

    3.1光固化成形(SLA)
    
    该成形法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成形方法(见
图1)。目前研究SLA方法的有3D System公司、EOS公司、F＆S公司、CMET公司、D-MEC
公司、 Teijin Seiki公司、 Mitsui Zosen公司、西安交通大学和华中科技大学等。美国
3D System公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大，其设备自1988年推出SLA-250机
型以后，在技术上有了长足进步，近几年推出的SLA-3500和SLA-5000机型使用半导体激励
的固体激光器，扫描速度分别达到2.54m/sec和5m/sec，成型层厚最小可达0.05mm，该公
司于1999年推出的SLA-7000机型与SLA-5000机型相比，成型体积虽然大致相同，但其扫
描速度却达9.52m/sec，平均成形速度提高了4倍，成形层厚最小可达0.025mm，精度提高
了一倍。
    SLA成型技术的材料主要有四大系列：Ciba公司生产的CibatoolSL系列， Dupont公
司的 SOMOS 系列，Zeneca公司的Stereocol系列和RPC公司(瑞典)的RPCure系列。CibaoolSL
系列有以下新品种：用于 SLA-3500的 CibaoolSL-5510，这种树脂可以达到较高的成形速
度和较好的防潮性能，还有较好的成形精度。CibaltooISC-5210主要用于要求防热、防湿
的环境，如水下作业条件。SOMOS系列也有新品种SOMOS8120，该材料的性能类似于聚乙烯
和聚丙烯，特别适合于制作功能零件，也有很好的防潮、防水性能。
日本方面打破了SLA技术使用紫外光源的常规，在日本化药公司开发新型光敏树脂的
协作下，由DENKEN ENGINEERING公司和AUTOSTRADE公司率先使用680nm左右波长的半导体
激光器作为光源，大大降低了SLA设备的价格。特别是AUTOSTRADE公司的EDARTS机型，采
用一种光源从下部隔着一层玻璃往上照射的约束液面型结构(见图2)，使得该设备价格降到
了298万日元。西安交通大学推出了LPS和CPS系列SLA成型机和相应的光敏树脂。CPS成
型机采用了紫外灯作为成型能源。

    3.2叠层成形(LOM)

    目前研究LOM工艺的有Helisys公司，华中科技大学、清华大学、 Kira公司、 Sparx
公司和 Kinergy 公司。Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三个系列纸材品种以外，还
开发了塑料和复合材料品种。华中科技大学推出的HRP系列成型机和成型材料，具有较高的
性能价格比。清华大学推出了SSM系列成型机及成型材料。

    3.3选择性激光烧结成形(SLS)

    研究SLS的有DTM公司、EOS公司、北京隆源公司、华中科技大学和南京航空航天大
学等。DTM公司于1992年、1996年和1999年先后推出了Sinterstation2000、2500和2500Plus
机型。其中2500Plus机型的造型体积比过去增加了10%，同时通过对加热系统的优化，减
少了辅助时间，提高了造形速度。北京隆源公司推出了AFS-300成型机。华中科技大学开发
出HRPS-1型成机，用于铸造中砂造型，HRPS-Ⅲ型成型机用于高分子粉末成形。在材料方面，
DTM公司每年有数种新产品问世，其中DuraformGF材料生产的制作，精度更高，表面更光
滑。最近开发的弹性聚合物Somos201材料，具有橡胶特性，并可耐热和抗化学腐蚀，用该
材料造出了汽车上的蛇型管、密封垫和门封等防渗漏的柔性零件；用Rapidsteel2.o不锈钢
粉制造的模具，可生产100,000件注塑件；Rapidtool2.0这种材料的收缩率只有0.2%，其
制件可以达到较高的精度和表面光洁度，几乎不需要后续抛光工序。DTMPolycarbonate铜-
尼龙混合粉末，主要用于制作小批量的注塑模。EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料
PA3200GF，类似于DTM的DuraFormGF，用这种材料制作的零件精度和表面光洁度都较好。

 3.4熔丝沉积成形(FDM)

    研究FDM的主要有Stratasys公司和MedModeler 公司。Stratasys公司于1993年开发
出第一台FDM-1650机型后，先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000机型。引人注目
的是1998年Stratasys公司推出的FDM-Quantum机型，最大造型体积为600mm× 500mm×
600mm。由于采用了挤出头磁浮定位(Magna Drive)系统，可在同一时间独立控制两个挤出头，
因此其造型速度为过去的5倍。Stratasys公司1998年与MedModeler公司合作开发了专用
于一些医院和医学研究单位的MedModeler机型，使用ABS材料，并于1999年推出可使用聚
脂热塑性塑料的Genisys型改进机型-GenisysXs，造型体积达305mm ×203mm ×203mm。清
华大学推出了MEM机型。
    熔丝线材料主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料。1998年澳大利亚的Swinburm
工业大学研究了一种金属-塑料复合材料丝。1999年Stratasys公司开发出水溶性支撑材料，
有效地解决了复杂、小型孔中的支撑材料难除或无法去除的难题。

    3.5其它

    1997年Z公司推出Z-402机型，该设备以淀粉掺蜡或环氧树脂为原料，将粘结剂喷射
到粉末上的方法制造零件。1998年ProMetal公司推出RTS-300机型，以钢、钢合金、镍合
金和钛钽合金粉末为原料，同样采用将粘结剂喷到粉末上的技术，可直接快速生产金属零件。
1999年3D System公司开发了一种使用热塑性塑料的多喷头式热力喷射实体打印机
(ThermoJet Solid Object Printer)，成型速度更高。

    美国新泽西工学院1998年提出一种快速冰冻成形(REP)的新技术，以纯水作为原形材
料，用冰点较低的盐水作为支撑材料，通过选区沉积和快速冰冻制造成形零件。1998年以
来，微制造技术也是RP技术一个较为活跃的研究方向，美国的一个研究小组利用CAD技术
制造了直径只有100微米的高密度零件；另一研究小组则研究了一种新的微制造方法，类似
于固体固化(SGC)技术，据称该技术可制造分子水平的零件，层厚仅2微米。

    4、快速制模(RT)、快速制造(RM)技术的新进展

    目前的快速制模方法大致有间接制模法和金属直接制模法。常用的快速制模方法有软
模、桥模和硬模。
    软模(soft tooling)通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的
原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。调整
双组份聚氨酯的构成比例，可使所得到的聚氨酯零件的机械性能接近ABS或PP。
桥模(bridge tooling)通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。采用环氧树脂
模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期也大大减少。模具寿命
不及钢模，但比硅胶模高，可达1000-5000件，可满足中小批量生产的需要。瑞士的Ciba
精细化工公司开发了树脂模具系列材料CibaTool。
表1

厂商          RP系统    工艺       材料             模具       寿命
Danish Technical 3D    SystemSLA-250 SLA Zebeca    模具系统树脂    50
Institute    IVF-Sweden DTMSinterstation SLS 玻璃填充尼龙 17
2000
University of 3D SystemSLA-250 SLA AZabeca模具系统树脂 50
Nottingham
University of Helisys LOM-2030 LOM LPH042纸 1
Warwick
Sintef-Norway Cubital Solider SGC Cubital丙酸树脂 50
Fraunhofer IPT EOS Stereos 600 SLA DuPontSOMOS 3100 12
Fraunhofer IPT Fockele＆Schwarze SLA AlliedSignal 36
Exactomer8176树脂
Rover 集团 3Dsystem SLA-5000 SLA Ciba5180-环氧树脂 50

    硬模(hard tooling)通常指的是用间接方式制造金属模具和用快速成形直接加工金属
模具。目前有用SLA、FDM和SLS方法加工出蜡或树脂模型，利用熔模铸造的生产金属零件；
还有利用SLS方法，选择合适的造型材料，加工出可供浇铸的铸造型腔。利用原型作为母模
结合精密铸造等制作注塑模或其他金属模具的工艺，典型的还有3D System的Quick Cast 、
Express Tool等。
    多年来金属直接成型和快速制模技术，主要是选择性激光烧结(SLS)直接制作金属模具。
这种烧结件往往都是低密度的多孔状结构，可将低熔点相的金属渗入后直接形成金属模具。
制件的强度与精度问题一直是难以逾越的障碍。Optomec公司于1998年和1999年分别推出
了LENS-50、LENS-1500机型。以钢、钢合金、铁镍合金、钛钽合金和镍铝合金为原料、采
用激光净成形技术，将金属直接沉积成形。使该技术有所突破。其生产的金属零件强度超
过了传统方法生产的金属零件，精度X/Y平面可达0.13mm，Z向0.4mm，但表面光洁度较差，
相当于砂型铸件的表面光洁度。DTM也推出了新的烧结材料Rapidsteel2.0，其金属粉未已
由碳钢改变为不锈钢，所渗的合金由黄铜变为青铜，并且不象原来那样需要中间渗液态聚
合物，其加工过程几乎缩短了一半。EOS开发出了新的金属烧结材料DirectStees-VI。
用于LOM的金属板MetLAM已开发出来，采用金属箔作为LOM造型材料可以直接加工出铸造
用EPS气化模，可批量生产金属铸件。东京技术研究所用金属板材叠层制造金属模具的系统
也已问世。还有用于三维打印的金属材料ProMetal、RTS-300等。
用SLA、SLS、FDM或LOM方法加工熔模铸造中的蜡模，这是目前生产金属零件和金属
模具最主要的途径之一。对快速造型得到的原型表面进行特殊外理后代替木模，直接制造石
膏型或瓷型，或是由RP原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型
浇注出金属模具。这也是行之有效的方法之一。
欧洲EAPRR(European Engineering Action)与Rover集团合作，研究RP件直接作注塑
模的可能性，用各种快速原型工艺直接制作Rover座椅调节手轮的注塑模嵌块，背后衬以环
氧树脂铝粉以增加模具强度和改善散热性能，然后将其安装在模架中，装配好的模具放在注
塑机上生产聚丙稀零件。结果如(表1)。
5、快速成形技术的应用与市场
至1999年，全世界共出现了334家快速成形服务机构(rapidprototyping service
bureaus)、27家设备制造商、12家材料供应商、14家专门的软件供应商、23家咨询机构
(consultant)和51家教育与科研机构。各大设备制造商的竞争日趋激烈，其市场份额如图
4所示。快速成形设备年销售量和快速成形服务机构逐年增加，1999年的服务机构是1992
年的7.9倍。
不断提高RP的应用水平，是推动RP技术发展的重要方面。自RP技术产生以来，各RP
系统制造商和RP服务中心，都在不断地扩大RP技术的应用范围。从3D公司与克莱斯勒公
司的第一次合作开始，RP技术的已经在许多领域里得到了应用，其应用范围主要在设计检
验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。
 图5.6为RP技术的应用状况。RP技术在制造工业中应用最多，达到67%，说明RP技术
对改善产品的设计和制造水平的巨大的作用。
最近，RP的应用出现如下新动向：
1)利用RP技术进行金属板材成型。该技术利用RP模型制作成形模具，通过液压机成
形小批量的金属零件。
2)更复杂的功能测试，主要应用于流体和气体的流动测试。由于流动分析是工程分析
中最为复杂的分析之一，所以借助于实际测试确定有关流动参数和设计参数是常用的方法。
包括利用高温材料的RP原型进行发动机和泵的功能测试。
3)在生物学和医学上的应用(图7)：美国有研究小组利用RP技术产生人工肺和人工心
脏，另一研究小组则在小光斑激光SLA系统上用一种类生物材料建造生物组织如肌肉等。还
有利用RP技术帮助发展新的医疗装置。
4)在艺术上的应用，利用RP技术建立佛像模型和数字雕刻。
5)在金属和陶瓷零件成型方面的应用。
6)制作彩色制件。目前已能制作具有两种色彩的制作(如牙模)。
6、RP技术的展望
RP技术经过十几年的发展，设备与材料
两方面都有了长足的进步，但目前由于该技术的成本高，加以制件的精度、强度和耐
久性能还不能满足用户的要求，暂时阻碍了RP技术的推广普及。此外，近年来CNC切削机
床亦在大步向前发展，一方面，价格大幅度下降；另一方面，高速、高精的CNC机床问世，
制件时间缩短，精度及表面质量提高。因此，不少企业使用CNC切削机床快速制造金属或非
金属模具及零件，向RP技术提出了新的挑战。但是在成型复杂、中空的零件方面，CNC切
削机床是不能取代RP技术的。这种直接从概念设计迅速转为产品的设计生产模式，必然是
21世纪中制造技术的主流。随着技术的进步，RP技术还会大踏步地向前发展，并将成为许
多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等的基本技术和装备。
从上述RP技术的发展现状来看，未来几年的趋势主要为：
1)提高RP系统的速度、控制精度和可靠性，优化设备结构，选用性能价格比高、寿命
长的元器件，使系统更简洁，操作更方便，可靠性更高，速度更快。开发不同档次、不同用
途的机型亦是RP系统发展的一个方面。例如：一方面开发高精度、高性能的机型，以满足
对制件尺寸、形状和表面质量要求更高或有特殊要求的用户。另一方面，开发专门用于检验
设计、模拟制品可视化，而对尺寸精度形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。
2)提高数据处理速度和精度，研究开发用CAD原始数据直接切片方法，减少数据处理
量以及由STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。
3)研究开发成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。将现有的
材料，特别是功能材料进行改造或预处理，使之适合于RP技术的工艺要求，从RP特点出发，
结合各种应用要求，发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、
其它方法难以制作的复合材料等。降低RP材料的成本，发展新的更便宜的材料。
4)开发新的成型能源。前述的主流成型技术中，SLA、LOM和SLS均以激光作为能源而激光
系(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费昂贵而传输效率(输出激光能量/输
入电能)较低，影响制件的成本。新成型能源方面的研究也是RP技术的一个重要方向。5)
研究开发新的成型方法。在过去的十年中，许多研究者开发出了十几种成型方法，基本上都
基于立体平面化-离散-堆积的思路。这种方法还存在着许多不足，今后有可能研究集“堆积”
和“切削”于一体的快速成形方法，即RP与CNC机床和其它传统的加工方式相结合，以
提高制件的性能和精度，降低生产成本。还可能从RP原理延伸，产生一些新的快速成形方
法。
6)继续研究快速制模(RT)和快速制造(RM)技术。一方面研究开发RP制件的表面处理技
术，提高表面质量和耐久性；另一方研究开发与注塑技术、精度铸造技术相结合的新途径和
新工艺，快速经济地制造金属模具、金属零件和塑料件。
7)在应用方面，通过对现有RP系统的改进和新材料的开发，使之能够经济地生产出直
接可用的模具、工业产品和民用消费品；制造出人工器官，用于治疗疾病。

穿过黑发的脚 · 发表于 2005-7-11 17:41:39

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echan · 发表于 2005-7-14 20:29:02

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liaofuc · 发表于 2005-7-16 13:49:21

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刘飞的 · 发表于 2005-7-22 02:59:36

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刘飞的 · 发表于 2005-7-22 03:06:31

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robbietu · 发表于 2005-7-25 11:11:10

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笨蛋恋人 · 发表于 2005-7-25 13:01:45

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刘飞的 · 发表于 2005-7-29 22:33:07

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x168168 · 发表于 2005-7-30 19:05:45

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