基于3DP 的快速模具制造技术在手轮制件上的应用

1 前言
快速原型技术（RP&M）是一种基于离散堆积思想，采用“分层制造，逐层叠加”原理，在计算机控制下，根据零件CAD 模型，进行材料三维精确堆积的零件或原型快速制造技术[1]。快速原型技术发展至今，出现了多种新工艺，其中较成熟的主要有[2，3]光固化立体造型技术SLA、熔融沉积造型技术FDM、选择性激光烧结SLS、分层实体制造LOM、气相沉积成型技术LVD、三维打印成型技术3DP 等。本文使用的快速原型工艺是3DP，其打印过程原理。本文采用的快速模具制造技术是在快速成型技术的基础上发展的一种新工艺过程,是由某理工学院发明申请的专利，由美国Z Corp 公司商业化实施的一种新工艺[4]。在快速原型机上使用陶瓷粉末打印出快速模具零件，模具零件经过烘干、固化等处理后，直接对模具浇注金属液的一个新工艺过程。使用此快速模具浇注金属溶液工艺和砂型铸造工艺基本一样，但生产制作一个零件仅需要几天。用户使用三维CAD 软件直接做出上下模具、型心和壳子，再把模具零件的文件格式转化为快速原型机接受的STL文件格式，然后用Z Corp 公司生产的快速成型机打印出模具。模具一旦做好就可以装配和浇注金属液。从制作零件图、打印和浇注金属到铸造出零件生产周期可以少到2 天，缩短了产品研究开发周期。
2 基于快速原型技术的手轮模具制造
根据美国的能够直接浇注金属液的成型材料专利技术描述，此成形材料，既能用来制作快速原型件、快速模具件，也可以将快速模具零件装配起来直接浇注金属溶液。其成分主要是石膏粉、陶瓷材料和砂子，由于该成型材料受美国专利保护，销售价格很高，每千克316 元。
2.1 自配制成型材料的选用在查阅该成型材料专利的基础上，通过实验自配置成型材料。实验选用400 目的ZP102 石膏粉、200 目的陶瓷材料氧化铝粉，按一定的质量百分比配比。经过多次实验最终选用按4：6 质量百分比配比的石膏粉和氧化铝粉配制的混合粉末。
2.2 手轮建模及模具设计使用Pro/Engineer 三维造型软件，按照建模步骤建模出手轮，。建模完毕后，对手轮进行模具设计。手轮的结构设计好后，使用Pro/Engineer 模具设计模块设计出手轮的模具，由于使用的成形材料的透气性差，需多开气孔，保证浇铸时排气的顺畅；并进行模拟开模。
2.3 STL 文件转化并打印模具在打印前，对模具文件进行STL 格式转化，转化后的STL 模具， 在快速原型机上打印手轮的模具，打印出的原型件如图6 所示。
3 在直接金属铸造技术中的应用
3.1 浇注铝合金将打印好的模具经过烘干处理并装配起来，放置在砂子上面，周围用砂子埋好，为了防止金属液将模具抬起分开，在装配好的快速模具上面对称放置两个压块。浇铸铝合金后，打开模具，铸件如图8 所示。
3.2 手轮零件的特点手轮零件的建模、模具设计的过程也相对简单，但由于轮辐的尺寸相比较其他尺寸较小，在浇注金属溶液时易出现缺陷，同时打印出的手轮模具各个部件装配过程中容易破坏。在本次实验过程中，所打印的手轮模具件烘干后强度较好，排气孔设置合理，所以成功铸造出手轮。
4 结论
通过实验得出自配置的手轮成型材料不但能够成型出快速原型件、快速模具件，而且将做好的手轮快速模具件经后处理装配起来，可以直接浇注金属溶液，同时大大降低了快速成型材料的手轮成本。