CN103600494A - 一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三维打印（3DP）技术树脂模具的快速成型制造方法，树脂模具用CAD/CAM技术生成三维模型并进行格式的转换后，利用3DP工艺进行模具的快速成型加工，烧结的成型件经过简单处理后，将树脂混合液涂料均匀涂抹于烧结件上，并进行固化处理，便得到了实际生产所需要的树脂模具。本发明具有工艺成熟稳定、降低成本、缩短研发和制造周期、提高模具精度和强度等优点。

Description

一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法

技术领域：本发明涉及一种树脂模具的快速成型制造方法，尤其是一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法,属于模具工程领域。

背景技术：目前广泛使用的铸造模具有木模具、金属模具、塑料模具、玻璃钢模具和树脂模具等，其制造方法主要有：手工机械加工、计算机数控加工，使用加工的母模翻制。这些模具的制造方法均需采用机械加工的方法制造，随着快速成型技术的发展，也有采用快速成型技术制造纸质模具的先例。但这些制造方法均不同程度存在各自的缺陷，因此需要研究一种制造成本较低，可用于批量生产的模具制造方法。

基于3D打印技术的树脂模具的快速成型，使树脂模具有好的耐磨性、高强度、不变形等特点的同时，还很好地解决传统模具制造中出现的一些缺陷，应用于实际生产后，可以显著提高企业的效益。

发明内容：针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法:树脂模具用CAD/CAM技术生成三维模型并进行格式的转换后，利用3DP(三维印刷)工艺进行模具的快速成型加工，烧结的成型件经过简单处理后，将树脂混合液涂料均匀涂抹于烧结件上，并进行固化处理，便得到了实际生产所需要的树脂模具。

优选的，所述的CAD/CAM技术，为CAD/CAM领域广泛使用的UG软件。利用三维设计简单、直观、便于进行力学分析和全相关设计等特点，根据顾客的实际需要作相应的修改，使树脂模具在研发阶段便可以减少时间，并对模具在生产和使用过程中出现的问题及时对树脂模具进行修改。

优选的，所述格式的转换，是在计算机辅助软件里将三维模型转换成STL格式。STL文件具有可视化、旋转、平移、缩放等图形功能，将其导入快速成型机的工控机后,自动切片软件可以直接读取STL文件。利用STL文件的容错切片技术，不需要另配纠错软件和人工纠错，使工控机操作流程更为简洁。

优选的，所述的利用3DP工艺进行模具的快速成型加工时，快速成型机采用红外激光器作为能源，使用的造型材料大多为粉末材料，在这里选用的粉末是聚苯乙烯（PS）粉末。加工的时候，首先将粉末预热到熔点的温度，并在刮平棍滚动作用下将粉末铺平，高强度二氧化碳激光器在计算机的控制下根据分层截面信息进行着有选择性的烧结，PS粉末在高强度激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层PS粉末，再进行下一层选择性的烧结。烧结完成之后去掉多余的粉末，便可以得到树脂模具的成型件。

优选的，所述的利用3DP工艺进行模具的快速成型加工时，快速成型机的预热温度设定在100℃左右，温度太高会烧坏粉末或结成太硬的块，不利于成型；温度太低就难以达到激光烧结的目的，造成松软，力学性能不够。激光扫描速率为1500mm/s左右，扫描太快，会造成质量无法保证，烧结件出现问题；扫描速率太慢，就会延长加工时间，降低加工效率。烧结层厚0.2mm，烧结层太厚，可能有些粉末烧结不到导致烧结件不完整；烧结层太薄，会延长成型时间。扫描功率18W，扫描功率太小，导致烧结件的松动、不结实；功率太大，在烧结时会出现变形的现象。

优选的，Power RP软件会根据输入的STL文件和对模具的三维实体分割的切片情况计算出烧结件所需要的时间，并显示在软件界面上。一般情况下，制作烧结件所花费的时间要比显示的时间多出2～7个小时。原因在于快速成型机开始工作时需要半个小时左右的缓慢升温，激光烧结的时候生成很多的支撑也需要花费很长时间。在此，支撑不仅支托了烧结件，还加固了烧结件，利于后续的处理工作。

优选的，所述的树脂混合液涂料包括环氧树脂、环氧稀释剂和环氧固化剂，其各成分的比例可能需要根据树脂模具的实际工作环境来进行调整，但是其混合的先后顺序却不能改变，必须先将环氧树脂和环氧稀释剂均匀混合后，再加入环氧固化剂。环氧树脂粘结的强度很高，粘结的面域广，具有良好的混溶性，可以与固化剂、稀释剂、无水乙醇等充分融合，发挥效应，固化后的环氧树脂还有良好的机械加工性能，使得基体件有很强的抗压强度和抗冲击强度。环氧稀释剂可以降低环氧树脂的黏度，使环氧树脂混合液在涂抹工艺中有良好的渗透、流动性能，使其涂抹的表面有更好的光滑度，增强吸附性能，改善涂层的外观等方面有着不可替代的作用。环氧固化剂使环氧树脂在常温下凝聚，并在一定的加热条件下使树脂混合液产生固化反应并生成三维网状的结构产物，使得环氧树脂涂料显示出优良的特性，具有真正的使用价值。这些溶剂按照一定比例和顺序混合后便得到适合实际生产需要的树脂混合液涂料。

优选的，所述的固化处理，需要等均匀涂抹于烧结件上的树脂混合液凝结后，再将其放入恒温箱进行固化。温度对增强树脂模具硬度，减少固化时间，提高固化效率，增强固化件硬度等有显著的作用，合适的温度还能使树脂模具基本不变形，尺寸微小的增加基本不影响后期处理工作。在此温度的设定(30℃-70℃)和时间的长短(3～7个小时)均需根据树脂模具的大小、结构等具体情况的不同来分别确定。

本发明的优点和积极效果为：

1.工艺成熟稳定。本发明采用的树脂模具三维模型的生成所需要的UG软件已广泛应用与机械设计领域，树脂模具的生成、修改和格式转换很容易实现。3DP技术所采用的相关设备、材料也已经广泛应用于快速制造领域。树脂研究领域在国内外也取得了很大成果，并在实际生产中得到了认可。

2.降低成本。本发明除了树脂模具三维模型的生成和修改需要专业人员外，其余生产过程的工艺简单，减少了工人数量和对工人素质的要求，降低了生产成本。生产过程中所需要的PS粉末和树脂混合液涂料的成分可以很容易的在市场上获得，降低了采购成本。

3.缩短研发和制造周期。本发明实现了无纸化作业，树脂模具的研发和生产可以同时进行，并能根据树脂模具使用过程中出现的问题及时进行修改。3DP技术的应用使树脂模具成型的时间大为缩短，既能适应研发阶段对小批量甚至单件模具的需求，也能满足大批量生产的需要。树脂模具的后期处理工艺也比较简单，将树脂混合液均匀涂抹于烧结件上进行固化处理后，对细节部分进行简单处理便可以得到用于实际生产的树脂模具。

4.提高模具精度和强度。本发明基于3DP工艺处理后的烧结件，将树脂混合液涂料均匀涂抹在烧结件并在一定温度下固化后，模具整体尺寸基本没有变化，微小的尺寸变化也可以通过简单地后期处理来消除，使得树脂模具的精度大大提高。在合适温度固化后，模具的强度和耐磨性也提高不少。

具体实施方式：

根据顾客所提供的树脂模具的图纸，利用UG软件进行三维模型的生成并将其转换为STL格式并导入快速成型机，操纵快速成型机上Power RP软件，将相关参数设定好即可进行树脂模具的快速成型制造。树脂模具的成型件制造完毕并去除多余粉末后，将树脂混合液涂料均匀涂抹在烧结件上，根据树脂模具的大小、结构等具体情况的不同来分别确定固化时恒温箱的温度和时间长短。固化好后只需对树脂模具进行简单的处理便可以得到实际生产所需要的树脂模具。

本发明的原理：

利用3DP系统获得给定的树脂模具三维模型数据参数的几何图形切面信息，生成x-y方向激光扫描器的运动指令，并根据这些指令在各层粉末上进行数控扫描。平整粉末的滚动会将粉末一层一层的均匀铺在工作台上，工作台也会按照给定的程序指令进行有序的升降。每一层粉末都经过平整粉末滚筒压平后，其厚度均相当于CAD模型切片的厚度。每一层经过激光扫描到的地方，都会被凝结到一个实体上，那些没有被扫描到的粉末回收后依然可以利用，直到生成一个完整地实体模型为止。

经过3DP工艺烧结后的原型实体仍然是多孔材料，硬度、强度较低。将其表面多余的粉末去掉之后，在表面上涂抹配好的树脂混合液涂料，并进行固化处理，提高其强度和硬度，从而得到实际生产需要的树脂模具，并且保证得到的模具尺寸不会发生太大的变化。

综上所述，本发明给出了一种树脂模具的快速成型制造方法，它具有工艺成熟稳定、降低成本、缩短研发和制造周期、提高模具精度和强度等优点。本发明在整个模具的研发和生产阶段，均可以对模具的设计进行修改，并能根据实际生产中出现的问题及时对模具进行改进，使产品的研发、生产和后期处理紧密的结合在一起，缩短了研发周期。由于快速成型制造技术和树脂混合液涂料的运用，使得树脂模具的制造时间大大缩短，不仅满足了实际生产中对树脂模具的各种要求，还简化了树脂模具的生产工艺，使生产成本和采购成本大大降低。本发明既能满足研发阶段对小批量甚至单件产品的需要，还能实现大批量的生产，适应了激烈的市场竞争对模具的要求。

Claims (7)

1.一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法:树脂模具用CAD/CAM技术生成三维模型并进行格式的转换后，利用3DP工艺进行模具的快速成型加工，烧结的成型件经过简单处理后，将树脂混合液涂料均匀涂抹于烧结件上，并进行固化处理，便得到了实际生产所需要的树脂模具。

2.如权利要求1所述的一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法，其特征在于：所述的CAD/CAM技术，为CAD/CAM领域使用的UG软件。

3.如权利要求1所述的一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法，其特征在于：所述格式的转换，是在计算机辅助软件里将三维模型转换成STL格式。

4.如权利要求1所述的一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法，其特征在于：所述的利用3DP工艺进行模具的快速成型加工时，快速成型机采用红外激光器作为能源，选用的粉末是聚苯乙烯粉末；加工的时候，首先将粉末预热到熔点的温度，并在刮平棍滚动作用下将粉末铺平，高强度二氧化碳激光器在计算机的控制下根据分层截面信息进行着有选择性的烧结，聚苯乙烯粉末在高强度激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层聚苯乙烯粉末，再进行下一层选择性的烧结；烧结完成之后去掉多余的粉末，便可以得到树脂模具的成型件。

5.如权利要求4所述的一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法，其特征在于：所述的利用3DP工艺进行模具的快速成型加工时，快速成型机的预热温度设定在100℃，激光扫描速率为1500mm/s，烧结层厚0.2mm，扫描功率18W。

6.如权利要求1所述的一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法，其特征在于：所述的树脂混合液涂料包括环氧树脂、环氧稀释剂和环氧固化剂，必须先将环氧树脂和环氧稀释剂均匀混合后，再加入环氧固化剂。

7.如权利要求1所述的一种基于三维打印技术树脂模具的快速成型制造方法，其特征在于：所述的固化处理，需要等均匀涂抹于烧结件上的树脂混合液凝结后，再将其放入恒温箱进行固化。