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塑料制品的手板制作

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为了能将实物从设计的阶段到真正的商品化,我们通常是建一原型,俗称首板,或手板,而加以测试及修正。最好的方法是尽可能的将原型与将商品化制造的加工方式相近。大部份的工程塑料产品是由射出成型所制出,所以原模必须为一单模穴原型模具所制得。以下将讨论各种制造原型之方法及其优缺点。
1   机械加工圆杆或平板、块法(machining from rod or slab stock)
此法是当所允许的设计时间非常短及只须少量的原型和物体的形状非常简单的时候,我们可将其经机械加工而得。这样不仅能帮助发展至固定的设计,亦能做为有限度的测试结果条件;但千万不能将其做为最后商品化的标准,其原因如下:
·   其物性如强度,韧性及伸长量可能会小于真正的成形品,因为机械加工会在原模上留下痕迹。
·   强度及韧性可能会高于成形品,因为圆杆或平板块具较高的结晶度。
·   若是加了玻纤的产品,则玻纤的方向性影响会误导了结果。
·   成形品的特性如顶出针痕,浇口痕及不定形的表面结构将不会出现在原型上。
·   无法探讨缝合线及接合线之影响。
·   由于内应力之不同,尺寸稳定性会被误导。
·   在圆杆或平板,块的中间常有包气现象,以致减少了其强度。同理在成形品的较厚肉处亦有此现象,而无法做一致的评估。
·   只有少数的圆杆或平板,块材料可供选择。
2 铸模法(die casting tool)
通常我们能够修正射出成形的原型,如果具有铸模模具的话。利用此铸模模具可减少对制造原型工具的须要及以低成本提供所须的前测试。然而,此法也许也无甚助益,因为原来的模具可能是为金属铸模而设,而非塑料。所以,外壁及肋将不会最适化;浇口通常会过大及位置不合;并且无法有效的冷却塑料产品,造成质量具甚大的相异性。
3 原型模具法(protoype tool)
特别是对塑料产品设计而言,利用便宜的铝,黄铜或是铍铜合金制成原型是个不错的方法。因为基本的讯息如收缩度,玻纤方向性及浇口位置皆可得之。但由于此模具只能承受有限度的射压,所以无法正确的估算出成形周期(cycle time),而且模具冷却性被限制,甚至不存在。可是,在另一方面而言,其好处为此形式能够有效的提供样品做最终的目的测试及快速的修正外形尺寸。
4 生产试模法(preproduction tool)
对设计的未来发展及产品的准确性而言,最好的方法是制造钢铁试模。它可以为单模穴模具或以多模穴模具为体的单模穴模具。此模穴已经机械加工完成,只是未做硬化处理,所以仍可做一些修正。其好处为它具有与生产模具相同之冷却效果,收缩与翘曲可被探得;还有因为具有适当的顶出鞘,模具能够如生产线般的循环,于是能够探得其周期。当然,最重要的是这些样品能够如最终产品般的做强度,抗冲击,磨耗及其它物性等之测试。
以上各法都是为了能在正式大量商品化前,做最低成本及最有效的预估分析,以及作为样品展示。当然,我们不能本末倒置,忘记了最终产品的真正须求。最好是写下一标准产品所须表,如功能,外观,可容许的公差等,做个最完美的设计者。



1楼2010-07-28 17:38回复

    图2:立体光固化成型法原理图
    SL工艺的优点是精度较高,一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面质量好;原材料利用率接近100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高。缺点是需要设计支撑;可以选择的材料种类有限;制件容易发生翘曲变形;材料价格较昂贵。
    该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。
    3.2选择性激光烧结法(SLS,Selective Laser Sintering)
    选择性激光烧结法(SLS)是在工作台上均匀铺上一层很薄(100μ-200μ)的作金属(或金属)粉末,激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结,使粉末固化成截面形状(如图3)。完成一个层面后工作台下降一个层厚,滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用,这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结,去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段,它可以直接制造工程材料的零件。
    图3:选择性激光烧结法原理图
    SLS工艺的优点是原型件机械性能好,强度高;无须设计和构建支撑;可选材料种类多且利用率高(100%)。缺点是制件表面粗糙,疏松多孔,需要进行后处理;制造成本高。
    采用各种不同成分的金属粉末进行烧结,经渗铜等后处理特别适合制作功能测试零件;也可直接制造金属型腔的模具。采用蜡粉直接烧结适合于小批量比较复杂的中小型零件的熔模铸造生产。
    3.3 熔融沉积成型法(FDM,Fused Deposition Modeling)
    这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出,按照零件每一层的预定轨迹,以固定的速率进行熔体沉积(如图4)。每完成一层,工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层,如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1℃左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的的直径决定,通常是0.25~0.50mm。
    图4:熔融沉积成型法原理图
    FDM的优点是材料利用率高;材料成本低;可选材料种类多;工艺简洁。缺点是精度低;复杂构件不易制造,悬臂件需加支撑;表面质量差。该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试,中等复杂程度的中小原型,不适合制造大型零件。
    3.4分层实体制造法(LOM, Laminated Object Manufacture)
    LOM工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起,位于上方的激光切割器按照CAD分层模型所获数据,用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓,然后新的一层纸再叠加在上面,通过热压装置和下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割,如此反复逐层切割、粘合、切割……直至整个模型制作完成(如图5)。
    图5:分层实体制造法原理图
    LOM工艺优点是无需设计和构建支撑;只需切割轮廓,无需填充扫描;制件的内应力和翘曲变形小;制造成本低。缺点是材料利用率低,种类有限;表面质量差;内部废料不易去除,后处理难度大。该工艺适合于制作大中型、形状简单的实体类原型件,特别适用于直接制作砂型铸造模。
    3.5 三维印刷法(3DP,Three Dimensional Printing )
    三维印刷法是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。3DP的成型过程与SLS相似,只是将SLS中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂(如图6)。
    图6:三维印刷法原理图
    该技术制造致密的陶瓷部件具有较大的难度,但在制造多孔的陶瓷部件(如金属陶瓷复合材多孔坯体或陶瓷模具等)方面具有较大的优越性。
    4. RP与CNC加工性能比较(见表1)
    5 存在的问题及发展方向
    5.1 材料问题
    目前所使用的成型材料成型后的机械性能还不能满足零件的功能需要,必须经过后处理才能达到使用要求。采用金属材料和高强度材料直接成型是RPM的一个重要发展方向。美国Michigan大学的Manzumd采用大功率激光器进行金属熔焊直接成型钢质模具的研究。
    5.2成型精度和质量问题
    目前快速成型制件的精度和表面质量大多不能满足工程使用要求,只能作为概念造型和功能测试的原型使用,必须改进成型工艺和快速成型软件。美国Stanford大学的Prints采用逐层累加与五坐标数控加工结合的方法,用激光将金属直接烧结成型,可获得与数控加工相近的精度。
    5.3应用问题
    从制造目标来说RPM主要用于:快速概念设计及功能测试原型制造;快速模具原型制造;快速功能零件制造。但大多数RPM是作为原型件进行新产品开发和功能测试等。快速直接制模及快速功能零件制造是RPM面临的一个重大技术难题,也是RPM技术发展的一个重要方向。根据不同的制造目标RPM技术将相对独立发展,更加趋于专业化。
    5.4软件问题
    目前已商品化的软件还不完善,功能单一,通用性差,没有统一的数据接口,不易集成。数据转换模型缺陷较多,对CAD模型的描述不够精确,从而影响子决速成型的成型梢度和表面质量。
    表1:RP与CNC加工性能比较
    (2)三维模型的离散处理:在选定了制作(堆积)方向后,通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为STL模型)进行一维离散,即沿制作方向分层切片处理,获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由于分层破坏了切片方向CAD模型表面的连续性,不可避免地丢失了模型的一些信息,导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度,每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折线段构成。所以,分层后所得到的模型轮廓已经是近似的,层与层之间的轮廓信息已经丢失,层厚越大丢失的信息越多,导致在成型过程中产生了型面误差。
    综上所述,为提高零件制造精度,在模型面型化处理时,应该选取较小的精度参数;在模型离散化处理时,应该选取较小的切片层厚度。


    IP属地:湖北3楼2012-01-31 09:31
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      2025-06-12 04:52:35
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      上文图片补发。


      IP属地:湖北4楼2012-02-01 05:07
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        谢谢道友的补充,新年快乐。期待快速成形制造技术的不断成熟和完善,在越来越多的领域得到推广和应用。


        5楼2012-02-01 16:15
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