逆向工程與快速成型在模具制造中的應(yīng)用

摘要：快速成型理論與技術(shù)是一種現(xiàn)代先進(jìn)的制造技術(shù)，在一定程度上代表了模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展方向。隨著RP行業(yè)的迅速發(fā)展，快速成型技術(shù)在模具制造領(lǐng)域中的作用日趨重要。文章結(jié)合反求與快速成型技術(shù)特點(diǎn)，介紹逆向工程及快速成型在模具制造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：逆向工程；快速成型；模具制造；反求技術(shù)；三維掃描儀

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）05-0053-04

1 逆向工程

1.1 逆向工程及反求技術(shù)

逆向工程，又稱(chēng)反求工程（RE），是以先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備實(shí)物、軟件（圖紙、程序、技術(shù)文件等）或影像（圖片、照片等）作為研究對(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)有關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析和研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出同類(lèi)的先進(jìn)產(chǎn)品。

反求技術(shù)是利用電子儀器去收集物體表面的原始數(shù)據(jù)，之后再使用軟件，計(jì)算出采集數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)，并得到對(duì)應(yīng)的顏色。掃描儀是對(duì)物體做全方位的掃描，然后整理數(shù)據(jù)、三維造型、格式轉(zhuǎn)換、輸出結(jié)果。整個(gè)操作過(guò)程，可以分為以下幾個(gè)步驟：物體數(shù)據(jù)化：普遍采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或光學(xué)三維掃描儀來(lái)采集物體表面的空間坐標(biāo)值；從采集的數(shù)據(jù)中分析物體的幾何特征：依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性，進(jìn)行分割，再采用幾何特征和識(shí)別方法來(lái)分析物體的設(shè)計(jì)及加工特征；物體三維模型重建：利用CAD軟件，把分割后的三維數(shù)據(jù)做表面模型的擬合，得出實(shí)物的三維模型；檢驗(yàn)、修正三維模型；加工、制造三維模型。

1.2 逆向工程流程

1.2.1 三維掃描：用三維掃描儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行高精度三維測(cè)量，得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，輸出ASC及STL文件。

1.2.2 曲面重構(gòu)：利用Geomagic、Imageware、Rapidform、Copycad等逆向軟件和Catia、Pro/e、Ug等設(shè)計(jì)軟件讀入掃描數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)。

1.2.3 數(shù)控加工：用三維軟件重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)控加工出成品?；蚩焖俪尚图庸ぃ簰呙鑳x得出STL數(shù)據(jù)直接進(jìn)行快速成型加工。

1.3 三維反求設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1.3.1 第一代反求設(shè)備：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。精度高、體積較大、采集速度慢、測(cè)量范圍受機(jī)械行程限制、設(shè)備維護(hù)成本高。

1.3.2 第二代反求設(shè)備：激光掃描設(shè)備。投射線激光，采集速度慢、測(cè)量范圍受機(jī)械行程限制、掃描死角多，測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法編輯、無(wú)自動(dòng)拼接測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.3.3 第三代反求設(shè)備：白光光柵式三維掃描儀。具有便攜、點(diǎn)距小、分辨率高、精度高、采集速度較快、對(duì)人體無(wú)害、標(biāo)志點(diǎn)全自動(dòng)拼接、硬件要求低等特點(diǎn)。

2 快速成型（Rapid Prototyping）

2.1 快速成形技術(shù)

快速成形技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)RP）是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱(chēng)，是一種集CAD/CAM、CNC、激光、新材料等技術(shù)于一體的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)的通過(guò)去除多余材料獲得零件的方法，利用分層制造、逐層累加成型的原理，可自動(dòng)、直接、精確、快速地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變成具有一定功能的原形實(shí)物零件，制造速度、制造成本與零件的復(fù)雜程度基本無(wú)關(guān)，從而可對(duì)實(shí)物零件進(jìn)行快速功能驗(yàn)證、市場(chǎng)評(píng)估、修改定型。用定型零件進(jìn)行模具的快速制造，可以實(shí)現(xiàn)零件的批量生產(chǎn)。因此，采用該技術(shù)可大大地縮短新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)周期，降低研制開(kāi)發(fā)的成本。

快速成型的基本過(guò)程是：首先設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維模型（數(shù)字模型、CAD模型）；其次根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M(jìn)行離散（習(xí)慣稱(chēng)為分層），把原來(lái)的三維CAD模型變成一系列的層片；再次根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼；最后由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動(dòng)將它們聯(lián)接起來(lái)，得到一個(gè)三維物理實(shí)體，如圖1所示：

2.2 快速成型技術(shù)的特點(diǎn)

2.2.1 快速性。通過(guò)STL格式文件，RPM系統(tǒng)幾乎可以與所有的CAD造型系統(tǒng)無(wú)縫連接，從CAD模型到完成原型制作通常只需幾小時(shí)到幾十小時(shí)，大幅度縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本和周期。可減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本30%～70%，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間50%，甚至更少。

2.2.2 高度柔性化。快速成型系統(tǒng)是真正的數(shù)字化制造系統(tǒng)，在整個(gè)制造過(guò)程，僅需改變CAD模型或反求數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)成型設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，即可在計(jì)算機(jī)的管理下制造出不同形狀的零件或模型，特別適合新品開(kāi)發(fā)或單件小批量

生產(chǎn)。

2.2.3 技術(shù)高度集成化?？焖俪尚图夹g(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、控制技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)和機(jī)械工程等多項(xiàng)交叉學(xué)科的綜合集成。它以離散/堆積為方法，在計(jì)算機(jī)和數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)上，追求最大的柔性為目標(biāo)。

2.2.4 設(shè)計(jì)制造一體化。一個(gè)顯著特點(diǎn)是CAD/CAM一體化。由于采用了離散/堆積的分層制造工藝，能夠很好地將CAD、CAM結(jié)合起來(lái)。

2.2.5 制造自由成型化。它可根據(jù)零件的形狀，不受任何專(zhuān)用工具或模具的限制而自由成型，也不受零件任何復(fù)雜程度的限制，能夠制造任何復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)、不同材料復(fù)合的零件。RPM技術(shù)大大簡(jiǎn)化了工藝規(guī)程、工裝設(shè)備、裝配等過(guò)程，很容易實(shí)現(xiàn)由產(chǎn)品模型驅(qū)動(dòng)的直接制造或稱(chēng)自由制造。

2.2.6 材料使用廣泛性。金屬、紙張、塑料、樹(shù)脂、石蠟、陶瓷甚至纖維等材料在快速原型制造領(lǐng)域已有很好的應(yīng)用。

2.3 快速成型主要工藝

RP技術(shù)結(jié)合了眾多當(dāng)代高新技術(shù)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)等，并將隨著技術(shù)的更新而不斷發(fā)展。自1986年出現(xiàn)至今，世界上已有大約20多種不同的成形方法和工藝，而且新方法和工藝不斷地出現(xiàn)。目前已出現(xiàn)的RP技術(shù)的主要工藝有：SL工藝：光固化/立體光；FDM工藝：熔融沉積成形；SLS工藝：選擇性激光燒結(jié)；LOM工藝：分層實(shí)體制造；3DP工藝：三維印刷；PCM工藝：無(wú)木模鑄造。

3 逆向工程和快速成形在模具制造中的應(yīng)用

RPM技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為RP原型間接快速制模和RP系統(tǒng)直接快速制模，主要用于制造注射類(lèi)模具、沖壓類(lèi)模具和鑄造類(lèi)模具等，通過(guò)將精密鑄造、中間軟模過(guò)渡法以及金屬?lài)娡俊㈦娀鸹庸?、研磨等先進(jìn)模具制造技術(shù)與快速成型制造相結(jié)合，就可以快速地制造出各種金屬模具來(lái)。

3.1 間接快速制模技術(shù)

間接快速制模技術(shù)（IRT）是將快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的成型技術(shù)有效地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模具的快速

制造。

間接快速制模技術(shù)通常以非金屬材料為主（如紙、ABS工程塑料、蠟、尼龍、樹(shù)脂等）。通常情況下，非金屬成型無(wú)法直接作為模具使用，需要以RP原型作母模，通過(guò)各種工藝轉(zhuǎn)換來(lái)制造金屬模具。而間接制模一般可以使模具制造成本和周期下降一半，明顯提高了生產(chǎn)效率。

間接制模工藝依據(jù)零件生產(chǎn)批量大小、模具材料和生產(chǎn)成本有下列幾種：

3.1.1 硅膠模（SRM）。適用于單件或數(shù)十件以下的小批量零件的制造，硅膠模的壽命一般為10～80件。在制作時(shí)，將表面光整處理后的RP或其他產(chǎn)品原型置入成型用的框內(nèi)，注入硅膠，等其固化后從原型分離即得到模具。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、周期短、形狀限制小、復(fù)制精度高，具有良好的柔性和彈性，能夠澆注出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、無(wú)拔模斜度以及具有深凹槽的塑料件。缺點(diǎn)是可供成型的樹(shù)脂種類(lèi)有限。

3.1.2 環(huán)氧樹(shù)脂模具。環(huán)氧樹(shù)脂模具采用環(huán)氧樹(shù)脂作為模具基材，制作工藝與硅膠模類(lèi)似。與傳統(tǒng)注射模具相比，成本只有傳統(tǒng)方法的幾分之一，生產(chǎn)周期也大大減少，模具制造件數(shù)達(dá)到1000～5000件，可滿足中小批量生產(chǎn)的需要。

3.1.3 金屬冷噴涂模。以成型為母模，將低熔點(diǎn)金屬充分霧化后以一定的速度噴射到樣模表面，形成一層金屬殼層（即模具型腔表面，其厚度可達(dá)2mm甚至更厚），然后用鋁顆粒與樹(shù)脂混合材料作為背襯物起支撐作用，將殼與成型分離，得到精密的金屬模具和用快速成型直接加工模具。其特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、周期短、模具尺寸精度高、成

本低。

3.1.4 陶瓷型精密鑄造法。以RP成型為母模，用特制的陶瓷漿料澆注成陶瓷鑄型，制成模具。

（1）化學(xué)粘接陶瓷（CBC）澆注型腔。用快速成型系統(tǒng)制作紙質(zhì)母模的成型，澆注硅膠模、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等軟體材料，構(gòu)成軟模，移去成型，在軟模中澆注化學(xué)粘接陶，在205℃下固化CBC型腔，并拋光型腔表面，加入澆注和冷卻系統(tǒng)后便制成小批量（約300件）生產(chǎn)用模具。

（2）用陶瓷或石膏模澆注鋼或鐵型腔（型芯）。與上法相似，制作模具周期不超過(guò)4周，壽命較長(zhǎng)，可生產(chǎn)250000個(gè)塑料制品。

3.2 直接快速制模技術(shù)（DRT）

對(duì)于單件小批量生產(chǎn)，模具的成本占有很大的比重，而修模占近1/3，因此小批量生產(chǎn)的成本較高。較好的解決方法就是采用快速成型直接制造模具，可在幾天之內(nèi)完成非常復(fù)雜的零部件模具的制造，而且越復(fù)雜越能顯示其優(yōu)越性。

基于LOM基礎(chǔ)的金屬板材堆積成型工藝。以LOM工藝為基礎(chǔ)，直接采用金屬片材為材料，通過(guò)激光切割、焊接或粘接金屬片材成型金屬零件。

基于SLS基礎(chǔ)的金屬粉末堆積成型工藝。該類(lèi)工藝主要是采用激光燒結(jié)或粘接劑粘接金屬粉末成型，典型代表是SLS工藝。

基于FDM基礎(chǔ)的金屬絲材熔融堆積工藝。首先將能用FDM成型的金屬粉與粘接劑摻勻，然后擠壓成具有足夠彎曲度和粘接度的金屬絲材供FDM設(shè)備成型使用。金屬材料包括不銹鋼、鎢及碳化鎢。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

3.3.1 模型驗(yàn)證：為減少模具投入風(fēng)險(xiǎn)，利用快速成形工藝，制作樣板，通過(guò)實(shí)物功能驗(yàn)證，以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正確性。

3.3.2 翻模成型：利用快速成形制造樣件，然后翻制模具，具有節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用的特點(diǎn)。

3.3.3 鉆頭模具制造：傳統(tǒng)方式，制造鉆頭需要通過(guò)制作石墨模具加工，成本高；如果設(shè)計(jì)出錯(cuò)，就會(huì)完全報(bào)廢；使用快速成形制作印模，澆注硅膠模，節(jié)省時(shí)間及成本。

4 結(jié)語(yǔ)

RE、RP、RT技術(shù)是產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的核心技術(shù)，并行工程、虛擬技術(shù)、快速模具、反求工程、快速成型、網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合而組成的快速反應(yīng)集成制造系統(tǒng)，將成為設(shè)計(jì)與制造新技術(shù)主要的發(fā)展方向。從以上論述可以看出，快速成型技術(shù)及以其為基礎(chǔ)的快速模具技術(shù)在企業(yè)新產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)中有著重要的作用，它可以極大地縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)所有企業(yè)都是一個(gè)特別有效地研發(fā)平臺(tái)，該項(xiàng)技術(shù)必將得到廣闊的應(yīng)用與發(fā)展。

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[5] 照相式三維掃描儀技術(shù)研討會(huì)[S].北京太爾時(shí)代有限公司培訓(xùn)課件，2012.

作者簡(jiǎn)介：呂彥梅（1963-），女，遼寧撫順人，鞍山技師學(xué)院高級(jí)講師，研究方向：模具專(zhuān)業(yè)教學(xué)及教學(xué)管理。

（責(zé)任編輯：周 瓊）