基于逆向工程和SLS母模的快速模具制作

摘 要：運(yùn)用逆向工程技術(shù)獲得產(chǎn)品數(shù)字模型，采用SLS技術(shù)燒結(jié)成型產(chǎn)品實(shí)物，并以此為母模制作環(huán)氧樹脂模具。最后，進(jìn)行澆注實(shí)驗(yàn)，獲得了質(zhì)量較好澆注件。逆向工程技術(shù)和SLS技術(shù)在快速制樹脂模制作中的應(yīng)用，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，降低了開發(fā)成本，為新產(chǎn)品的開發(fā)和試制提供了一條有效的途徑。

關(guān)鍵詞：逆向工程；激光選區(qū)燒結(jié)；快速模具；環(huán)氧樹脂模

運(yùn)用逆向工程技術(shù)（Reverse Engineering，RE）是利用各種測量手段及三維幾何建模方法，將實(shí)物樣件或者手工模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)三維數(shù)字CAD數(shù)據(jù)模型。RE技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量分析等領(lǐng)域，可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)的周期，降低新品開發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，特別適合新品開發(fā)中單件、小批量產(chǎn)品的制造。[1-2]激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)是快速成型技術(shù)（RP）中的一種，通過激光加熱可熔融粘接的粉末材料根據(jù)可以直接將產(chǎn)品數(shù)字模型燒結(jié)成實(shí)體零件，而快速模具（RT）技術(shù)大多采用快速成型技術(shù)制作的母模翻制模具主要工作零件（型芯、型腔），制造周期一般是傳統(tǒng)方法的1/5～1/10，而成本卻僅為傳統(tǒng)加工方法的1/3～1/5。[3-5]RE、RP在快速模具技術(shù)中的應(yīng)用，為新產(chǎn)品的開發(fā)和試制提供了一種更加快捷、精確和經(jīng)濟(jì)途徑。

文章，以摩托車后視鏡為例，運(yùn)用逆向工程技術(shù)獲得了其三維數(shù)字模型，用SLS技術(shù)制作了母模，再以此母模翻制了型芯和型腔，最后，成功澆注了摩托車后視鏡產(chǎn)品。

1 基于逆向工程的3D模型的建立

1.1 數(shù)據(jù)采集

以摩托車后視鏡為實(shí)物模型，通過掃描儀獲得實(shí)物外形數(shù)據(jù)信息。掃描設(shè)備為北京榮創(chuàng)興業(yè)科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品VLS-100三維激光掃描儀。數(shù)據(jù)采集有以下幾個(gè)步驟：（1）粘接特征標(biāo)記。由于實(shí)物表面數(shù)據(jù)一般不能通過一次采集獲得，需要進(jìn)行多次掃描，為了方便點(diǎn)云的對齊，需要粘貼標(biāo)記，用了三個(gè)鋁薄片作為特征標(biāo)記，貼在后視鏡邊緣三處不同的位置。（2）噴涂反差增強(qiáng)劑。物體表面反光，會(huì)對掃描激光造成干擾、反射，引起數(shù)據(jù)缺失或變形，因此需噴涂反差增強(qiáng)劑降低表面反光。（3）固定掃描物體，將摩托車反光鏡固定在測試臺(tái)上。（4）確定掃描邊界、開始掃描。根據(jù)物體的大小確定掃描邊界，然后開始掃描，采集數(shù)據(jù)。一側(cè)掃描完成后，再掃描物體另一側(cè)。（5）保存數(shù)據(jù)。掃描完成后，將數(shù)據(jù)以asc格式保存。

1.2 Imageware曲面重構(gòu)

通過掃描獲得實(shí)物的表面數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Imageware軟件，運(yùn)用該軟件對所得點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)。首先，去除各點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲點(diǎn)。由于空氣中粉塵等原因干擾，掃描后會(huì)在攝像頭和后視鏡之間的空間中會(huì)出現(xiàn)大量的噪聲點(diǎn)，將噪聲點(diǎn)框選刪除，獲得干凈的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其次，將點(diǎn)云對齊、精簡。根據(jù)實(shí)物形狀并參考后視鏡上所貼的特征標(biāo)記，將點(diǎn)云對齊，移除參考點(diǎn)及特征標(biāo)記點(diǎn)云。另外，對點(diǎn)云進(jìn)行精簡，刪除重合的點(diǎn)云。最后，對點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)分割和曲面重構(gòu)。根據(jù)后視鏡實(shí)物外形，猜測正向設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)過程，可以把整個(gè)后視鏡分成兩大部分去處理，后視鏡的正面為一部分，背面為另一部分。正面分成五部分，編號為1、2、3、4、5，背面分成五部分，編號為6、7、8、9，10如圖1。把整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成十部分，每一部分根據(jù)外形的特點(diǎn)采用不同的方法將點(diǎn)云擬合成與實(shí)物相符曲面。得到的后視鏡數(shù)字模型文件以STL格式保存。

2 SLS母模制作

2.1 母模燒結(jié)

將后視鏡數(shù)字模型文件，導(dǎo)入Magic軟件進(jìn)行糾錯(cuò)處理、添加支撐和切片處理，將文件轉(zhuǎn)化為快速成型控制系統(tǒng)接收的CLI格式。然后導(dǎo)入快速成型系統(tǒng)，設(shè)置燒結(jié)參數(shù)如表1，燒結(jié)成型后視鏡實(shí)體，所得成型件是用作翻制模具的母模。

2.2 SLS母模后處理

未經(jīng)處理的SLS高分子燒結(jié)件強(qiáng)度較低，表面粗糙，不能滿足使用要求，需要表面清理、滲樹脂強(qiáng)化和表面拋光打磨等后處理工序。（1）表面清理。燒結(jié)成型結(jié)束后，使零件隨材料冷卻至室溫后取出，用毛刷和牙刷清理零件表面未燒結(jié)粉末，清理時(shí)注意不要損壞燒結(jié)件外形。（2）滲樹脂增強(qiáng)。用毛刷沾取配好環(huán)氧樹脂溶液，刷涂燒結(jié)件，從燒結(jié)件較厚的部分涂起，使燒結(jié)件完全被浸透，又要保證表面不留積液。先室溫固化6小時(shí)，再加熱固化8小時(shí)。（3）表面拋光打磨。將固化好的后處理燒結(jié)件取出，用細(xì)砂紙打磨表面，去除后處理件表面積瘤，使后處理件表面光滑，得到翻制模具的母模，如圖2所示。

3 環(huán)氧樹脂模制作

3.1 制作前的準(zhǔn)備

3.1.1 ?？驕?zhǔn)備

?？虻闹饕饔檬窃跐沧渲旌狭蠒r(shí)防止混合料外溢，可由金屬、木材等制作。金屬?？蛟跇渲袒笈c樹脂粘結(jié)在一起，成為模具的一部分。在澆注的時(shí)候防止?jié){料外溢，對固化樹脂起支撐作用，同時(shí)提高了模具的剛度；木材制作的?？颍瑑H僅起防止?jié){料外溢的作用，最后還要從固化好的模具上脫下來。?？虻拇笮「鶕?jù)模具的要求和母模的大小確定。本試驗(yàn)用的?？蚴怯肞S粉料SLS燒結(jié)成型，再對其進(jìn)行滲樹脂強(qiáng)化處理，最后打磨所得。

3.1.2 分型面的選擇和底座制作

樹脂模的澆注一定要選擇好分型面。分型面的選擇直接影響脫模，如果選擇不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致難以脫模甚至脫不出來，所以正確合理的選擇分型面非常重要。分型面的選擇一般原則為，選在原型截面積最大位置處。為防止原型內(nèi)腔被樹脂混合物充填而導(dǎo)致難以脫模的問題，需要預(yù)先封填母模內(nèi)腔。或者通過底座等將相應(yīng)的部位堵上。Magic軟件能夠自動(dòng)確定分型面，如圖3所示。

分型面確定以后，為底座制作提供了參考，底座在澆注樹脂模時(shí)起兩個(gè)方面的作用：一是對母模起支撐固定作用。二是保證分型面的生成。底座一般用木頭，石膏等制作，但較準(zhǔn)確的保證分型面的生成并不容易，安放位置精度也不易保證，所以在本試驗(yàn)中，采用了同?？蛳嗤闹谱鞣椒ê凸に?，為了保證上下模閉合的位置精度，增加了兩個(gè)導(dǎo)柱，如圖4所示。

3.1.3 母模、模框和底座的固定

母模、?？颉⒌鬃墓潭ㄒ彩钦麄€(gè)過程的重要一環(huán)，首先把母模安置到底座上，檢查母模的分型面是否在底座平板上，不在的話，修理底座，直到母模的分型面和底座平板重合，用膠把?？蛘车降鬃?，粘合處要密封，保證漿料不會(huì)滲漏出去。然后把脫模劑用毛刷均勻地刷到母模和底座底版上。固定好的母模、?？?、底座如圖5所示。

3.1.4 環(huán)氧樹脂漿料的制備

試驗(yàn)材料：300目鋁粉，填料，北京浩運(yùn)工貿(mào)有限公司，Al>≥99.0（wt.%）；環(huán)氧樹脂：302環(huán)氧樹脂膠 上海萬投實(shí)業(yè)有限公司，配比：Epoxy：Al（質(zhì)量比）=10：9。在混合之前，為了降低膠液的黏度，把稱量好的環(huán)氧樹脂分成A、B兩組，分別放到電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中在80℃恒溫10分鐘。然后，把金屬粉緩緩加入到A、B組份中，邊加入邊攪拌，當(dāng)攪拌均勻后，再次把加入金屬粉的A、B組份放到電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中在80℃恒溫10分鐘，取出后放到真空注型機(jī)中，快速抽真空，當(dāng)真空達(dá)到-90KPa負(fù)壓時(shí)，把B組份緩緩的倒入A組份中，邊倒邊攪拌，大約一個(gè)小時(shí)三十分左右，當(dāng)混合液中沒有氣泡出現(xiàn)時(shí)且漿料得到一定黏度后，澆注的漿料即準(zhǔn)備完畢。

3.2 環(huán)氧樹脂模的澆注

3.2.1 澆注上、下模

把固定好的母模、?？?、底座放到真空注型機(jī)的澆注平臺(tái)上，調(diào)整好位置，保證底座水平。然后，把經(jīng)過真空脫泡的漿料沿著模框壁緩緩地注入到?？蛑?，整個(gè)澆注過程在真空環(huán)境中進(jìn)行。

澆注完畢后，取出放到電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在100℃溫度下固化。待上模固化好后，把底座取下。倒置上模，把下模的?？蛘车缴夏Ｉ希瑯诱辰Y(jié)要牢固，并且粘結(jié)處要密封，保證漿料不會(huì)滲漏。然后在上模的分型面上均勻，全面地涂刷一層脫模劑，用澆注上模同樣的方法澆注下模。

3.2.2 分模、修模

（1）樹脂模固化、分模。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂固化時(shí)是放熱反應(yīng)，固化后模具尺寸會(huì)收縮，把母模包緊，造成脫模困難，所以在脫模之前要把模具整體放到干燥箱中，在90℃加熱一段時(shí)間，使模具發(fā)熱膨脹，以便分模取出母模。

（2）修模。取出母模后，對模具不平整的部進(jìn)行分打磨，對因殘留氣泡造成的孔洞，用環(huán)氧樹脂和鋁粉制的粘稠漿料修補(bǔ)平整。等修補(bǔ)部分固化好后，用細(xì)砂紙打磨光滑，再用丙酮徹底清洗型腔表面，去除表面的油污。

（3）涂刷膠衣。模具修補(bǔ)好后，按比例配制好膠衣樹脂，用羊毛刷在模具型腔表面均勻的薄薄刷上一層膠衣，然后放到干燥箱中在80℃恒溫1小時(shí)，取出模具后再用同樣的方法刷上一層膠衣，然后再一次放到干燥箱中，這樣少量多次的刷上幾層膠衣，然后再用細(xì)砂紙輕輕的打磨。涂刷膠衣的目的一是可以獲得光滑的模具表面，二可以很好的保護(hù)模具表面，圖6為做好的環(huán)氧樹脂模具。

4 澆注試模

簡易模具制作好以后，進(jìn)行澆注試模，檢查模具型腔表面的質(zhì)量，對存在的缺陷進(jìn)行必要的修正。澆注前在模具的型腔表面均勻地涂上一層脫模劑，然后合模。實(shí)驗(yàn)材料為反應(yīng)性樹脂聚氨酯F-31，將按比例配制好的聚氨脂樹脂，緩緩地澆注到模具中，為了加速樹脂固化，澆注好以后把模具放到恒溫干燥箱中。等固化好后，把制件從模具中取出。獲得表面質(zhì)量良好的澆注件如圖7所示。

5 結(jié)束語

采用后視鏡為載體，運(yùn)用三維掃描獲得其三維數(shù)字模型，再結(jié)合SLS技術(shù)燒結(jié)出樹脂模母模，最后成功翻制出環(huán)氧樹脂模具。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證此工藝的簡易模具能成功澆注出表面良好的樹脂件。此工藝在新品開發(fā)和產(chǎn)品試制中的應(yīng)用可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，并能快速反應(yīng)市場需求。

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作者簡介：李小城，碩士研究生，講師，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院。