CN100386189C - 熔融沉积制造快速原型覆模技术与工艺 - Google Patents

Abstract

熔融沉积制造快速原型覆模技术与工艺是针对熔融沉积制造(FDM)快速原型件的特点和工程实际需求，提出一种一次快速制模方法及工艺，直接基于FDM快速原型件，利用化学及物理的处理方法，在用FDM快速成型工艺制作好原型件后，对其进行表面增强处理，在此基础上涂覆F23树脂，并进行抛光、喷涂等表面处理，使FDM原型保持原有强度，同时达到较高的表面光洁度，满足硅胶模具制作高质量产品样件的需求。能加快产品开发中的样件制造，具有重要的工程实用价值和显著的经济效益。

Description

熔融沉积制造快速原型覆模技术与工艺

技术领域：

本发明涉及一种熔融沉积制造(Fuse Deposition Modeling，以下简称FDM)快速原型件覆模技术与工艺，特别是一种直接基于FDM快速原型件，利用化学及物理的处理方法，使FDM原型件保持原有强度，同时达到较高的表面光洁度，满足硅胶模具制作高质量产品样件需求的一次快速制模方法及工艺，属于机械制造技术领域。

背景技术：

由于全球化市场竞争的日趋激烈，产品的更新换代速度越来越快，新产品的开发速度成为决定企业命运重要因素。快速成型及快速模具作为加快产品开发速度的重要使能技术，得到工业界普遍重视和广泛应用。利用快速成型技术，设计部门可以进行产品的外观评价、装配检验、设计校核等，从而能在批量制造之前及时发现设计中的缺陷和错误。但现今的所有快速成型工艺均为单件制作，制作成本高，而且每一种工艺制作材质都是有限制的，难以满足客户小批量和特定材质制造的要求。以快速成型技术制作的原型件为模板，利用硅胶快速模具技术就成为解决该问题的最有效途径。

由于快速成型采用分层叠加的制造方式，常会在快速原型的表面(尤其倾斜及曲面表面)形成许多细小的台阶。当用硅胶模具复模时，一方面这些台阶就会被转移到硅胶模具的型腔表面，使得用此模具浇注的零件表面质量差；同时这种台阶效应增加了快速原型与硅胶模之间的脱模难度，所以，在制作硅胶模具前，必须对快速原型进行表面抛光等处理。目前，在现有技术中，常用的成熟快速成型工艺有立体光造型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积造型(FDM)等，SLA、SLS制作的快速原型虽然具有较好的表面质量，但强度较低，以此作为原型复制高质量尤其透明件抛光时，极易损害原型表面的形状精度，因此，对于质量要求高的产品零件，常常采用二次复模方法。即用快速成型制作的快速原型件，首先制作一副硅胶模具，脱模后浇注一个类似工程塑料的零件，然后对此零件进行精细抛光，再以这个抛光后的零件为母型制作第二副硅胶模具，浇注出所需的零件来。这样的工艺时间长，成本高。FDM所用的材料为ABS工程塑料，制作的原型件虽然具有很好的强度，但表面光洁度是最差的，加之由于丝状堆积带来的基体材质的“各向异性”，所以原型件几乎不能直接打磨、抛光。

发明内容：

为克服已有技术的不足和缺陷，本发明针对熔融沉积制造(FDM)快速原型件的特点和工程实际需求，提出一种一次快速制模方法及工艺，直接基于FDM快速原型件，利用化学及物理的处理方法，使FDM原型保持原有强度，同时达到较高的表面光洁度，满足硅胶模具制作高质量产品样件的需求。本发明技术方案的工艺过程如下：

1、对FDM原型件的机体进行增强处理

在三维CAD数据的直接驱动下，FDM工艺制作的原型件常常由于支撑与原型存在接触面、去除支撑材料后，会使原型表面丝材松散，甚至脱离机体，使得后续的表面处理难以有一个坚强的基底。所以在进行原型件表面处理前，涂覆一层三氯甲烷(又称氯仿)，对这些缺陷加以修复，进行增强处理。

2、对原型件的表面进行涂覆

对经过氯仿增强处理的原型件表面涂覆其它材料，其主要目的是填充快速原型件表面的台阶及微细丝材间隙。对该材料的要求是：对ABS材料有一定附着力，不易脱落，但又不能对基体ABS塑料产生溶解侵蚀；材料比ABS稍硬，有利于增强基体，质地致密细腻，便于打磨成光滑的表面；能附着硝基油漆，但不能产生溶蚀；固化时间短；固化后收缩小，不会使原型件变形；对人体安全。经多方研究试验，选用了法国AXSON公司的F23树脂。F23是一种双组份(基料+固化剂)，常温固化的材料，完全固化时间45分钟。固化后为白色，能达到上述对覆模材料提出的要求，使用效果良好。

3、对原型件的表面进行粗抛

待FDM原型件表面涂覆的F23完全固化后，先后用600目和1000目的水磨砂纸打磨原型件表面，直至其表面无明显划痕。

4、表面喷涂

将粗抛好的原型件放在烘箱内去除水分后，用二甲苯稀释后的硝基底漆喷涂原型件表面。

5、精抛

如果要复模的样件是如车灯配光镜等透明零件，还需对原型进行进一步的精抛。

6硅胶模具制作与零件浇注

以处理后的FDM快速原型件为样本，制造硅胶模具，浇注样件。硅胶模具的制造及零件的真空浇注与一般的工艺相同。

产品样件制造是新产品开发中的一个重要环节，对产品的开发进程有决定性影响，本发明内容涉及一种产品样件的快速制造技术与工艺，能加快产品开发中的样件制造，具有重要的工程实用价值和显著的经济效益。

具体实施方式：

下面结合一个轿车侧灯配光镜样件的复模处理过程，对本发明的具体实施工艺方法做进一步的描述：

1.在CAD数据的直接驱动下采用熔融沉积制造(FDM)工艺，用ABS工程塑料制作轿车侧灯配光镜的快速原型件。

2.对FDM原型件的基体进行氯仿增强处理。在FDM原型底表面涂覆一层三氯甲烷(又称氯仿)，由于三氯甲烷对ABS材料具有溶解作用，涂覆时要尽量均匀，不应在表面有沉积。涂覆完毕后，用直径约为5mm的圆头工具，将松散部分的丝材压实。这样的处理一方面使缺陷部分与机体结合紧密，不至于影响后续处理，另一方面也增强了原型件的整体强度，减少硅胶脱模时原型的断裂损坏。上述处理完成后，将原型件置于60～70℃的烘箱内放置30分钟左右，使三氯甲烷充分的渗透入原型机体，同时使残留的三氯甲烷充分挥发。

3.对经氯仿增强处理后的FDM原型件涂覆F23树脂。

1)配料。根据涂覆表面的大小，按5∶1的比例取F23树脂的基料和固化剂若干，为了降低粘度，增加渗透力，并增长涂覆操作时间，再取树脂总量20～30％左右的二甲苯。将三种原料分别放在三只容器内置于真空注型机中，在真空环境下脱泡10分钟，然后将三者搅拌均匀混合备用。

2)涂覆。用竹片或硬橡胶的窄条薄片，将混合均匀的F23刮涂于FDM快速原型件表面，涂覆厚度要尽量均匀，从外观上看，填覆FDM层间微细台阶即可。由于F23双组份混合后的固化速度快，可用时间较短，最好在5～8分钟时间内，涂覆完所配原料。

4.粗抛。待FDM原型表面涂覆的F23完全固化后，对FDM原型件表面进行粗抛光。先用600目的水磨砂纸打磨原型表面，直至原型表面没有明显的F23树脂凸起；然后在流水下或在浸没原型的水中，用1000目的水磨砂纸，打磨原型表面直到其表面没有明显的划痕。

5.表面喷涂。将粗抛好的原型件置于60℃的烘箱中，并打开烘箱内的风扇，一方面加快原型件表面的水分挥发，同时防止原型受热不均，造成原型件变形。10～15分钟后从烘箱中取出原型件，待完全冷却。将汽车修理用的硝基底漆用二甲苯稀释，二甲苯与底漆的配比约为10∶1，这样可充分保证原型件表面的漆膜厚度均匀。将稀释后的底漆置于气压喷枪内，喷涂于FDM原型件表面，喷涂时，喷枪头要保证与原型件表面保持30～50cm的距离，以保证不冲坏已喷涂在原型件表面的漆膜。如果要复模的是一般的非透明零件，待喷漆挥发干燥后，FDM原型件的处理至此就已完成了。

6.精抛。对本实施例中的车灯配光镜是透明零件，还需对原型件进行进一步的精抛。即待喷漆挥发干燥后，将原型件置于真空注型机内，在真空环境下保持5分钟左右，以使漆膜下的微小气泡破裂暴露，将因气泡爆裂留下的表面小坑用上述二甲苯稀释的硝基底漆填补，干燥后，再用2000目的精细水磨砂纸在水流下打磨抛光，待原型干燥后，用二甲苯与底漆的配比约为15∶1的稀释底漆喷涂原型表面，漆模干燥后，如果原型表面光滑无痕，原型即处理完毕，如果还有细小划痕，可用羊毛抛光毡涂抹抛光剂进一步抛光。

7.硅胶模具制作与零件浇注。以处理后的FDM快速原型件为样本，制造硅胶模具，浇注样件。硅胶模具的制造及零件的真空浇注与一般的工艺相同。

Claims (2)

1.一种熔融沉积制造快速原型覆模方法，其特征在于该方法包括下述步骤：

1)在CAD数据的直接驱动下采用熔融沉积制造(FDM)工艺，制作快速原型件；

2)在FDM原型件的底表面涂覆氯仿，涂覆完毕后，用直径约为5mm的圆头工具，将松散部分的丝材压实，将原型件置于60～70℃的烘箱内放置30分钟左右后取出；

3)在经氯仿增强处理后的FDM原型件表面涂覆F23树脂，F23树脂的基料和固化剂的配比为5∶1，二甲苯的加入量为F23中基料和固化剂总量的20～30％，将三种原料分别放在三只容器内置于真空注型机中，在真空环境下脱泡10分钟，然后将三者搅拌混合均匀后，用竹片或硬橡胶的窄条薄片将混合均匀后的F23树脂在5～8分钟内均匀刮涂于FDM快速原型件表面；

4)待FDM原型表面涂覆的F23树脂完全固化后，对FDM原型件表面进行粗抛光，先用600目的水磨砂纸打磨原型表面；然后在流水下或在浸没原型的水中，用1000目的水磨砂纸打磨；

5)将粗抛好的原型件置于60℃的烘箱中，并打开烘箱内的风扇，10～15分钟后从烘箱中取出原型件，待完全冷却后，将汽车修理用的硝基底漆用二甲苯稀释，稀释比例为10∶1，喷涂于FDM原型表面；

6)待喷漆挥发干燥后，将原型件置于真空注型机内，在真空环境下保持5分钟左右，再用上述二甲苯稀释的硝基底漆填补，干燥后，用2000目的精细水磨砂纸在水流下打磨抛光，待原型件干燥后，用二甲苯与底漆的配比约为15∶1的稀释底漆喷涂原型表面；

7)在经稀释底漆喷涂的原型表面干燥后，用羊毛抛光毡涂抹抛光剂进一步抛光；

8)以处理后的FDM快速原型件为样本，制造硅胶模具，浇注样件。

2.根据权利要求1所述的熔融沉积制造快速原型覆模方法，其特征是所述的步骤5中，稀释的硝基底漆要置于气压喷枪内，喷涂原型表面时，喷枪头距原型件表面保持30～50cm的距离。