摘要：快速成型理論與技術(shù)是一種現(xiàn)代先進的制造技術(shù)，在一定程度上代表了模具設計與制造技術(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，介紹逆向工程及快速成型在模具制造中的應用。

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

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：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，又稱反求工程（RE），是以先進產(chǎn)品設備實物、軟件（圖紙、程序、技術(shù)文件等）或影像（圖片、照片等）作為研究對象，應用現(xiàn)代設計理論方法、生產(chǎn)工程學、材料學有關(guān)專業(yè)知識進行系統(tǒng)深入的分析和研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進而開發(fā)出同類的先進產(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，計算出采集數(shù)據(jù)的空間坐標，并得到對應的顏色。掃描儀是對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。整個操作過程，可以分為以下幾個步驟：物體數(shù)據(jù)化：普遍采用三坐標測量機或光學三維掃描儀來采集物體表面的空間坐標值；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，進行分割，再采用幾何特征和識別方法來分析物體的設計及加工特征；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，得出實物的三維模型；檢驗、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：用三維掃描儀對實物進行高精度三維測量，得到三維點云數(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等設計軟件讀入掃描數(shù)據(jù)，對其進行數(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)直接進行快速成型加工。

1.3 三維反求設備發(fā)展現(xiàn)狀

1.3.1 第一代反求設備：三坐標測量機。精度高、體積較大、采集速度慢、測量范圍受機械行程限制、設備維護成本高。

1.3.2 第二代反求設備：激光掃描設備。投射線激光，采集速度慢、測量范圍受機械行程限制、掃描死角多，測量數(shù)據(jù)無法編輯、無自動拼接測量數(shù)據(jù)。

1.3.3 第三代反求設備：白光光柵式三維掃描儀。具有便攜、點距小、分辨率高、精度高、采集速度較快、對人體無害、標志點全自動拼接、硬件要求低等特點。

2 快速成型（Rapid Prototyping）

2.1 快速成形技術(shù)

快速成形技術(shù)（簡稱RP）是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱，是一種集CAD/CAM、CNC、激光、新材料等技術(shù)于一體的現(xiàn)代先進制造技術(shù)。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)的通過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、直接、精確、快速地將設計思想轉(zhuǎn)變成具有一定功能的原形實物零件，制造速度、制造成本與零件的復雜程度基本無關(guān)，從而可對實物零件進行快速功能驗證、市場評估、修改定型。用定型零件進行模具的快速制造，可以實現(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)品的研制開發(fā)周期，降低研制開發(fā)的成本。

快速成型的基本過程是：首先設計出所需零件的計算機三維模型（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行離散（習慣稱為分層），把原來的三維CAD模型變成一系列的層片；再次根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；最后由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到一個三維物理實體，如圖1所示：

2.2 快速成型技術(shù)的特點

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

2.2.2 高度柔性化?？焖俪尚拖到y(tǒng)是真正的數(shù)字化制造系統(tǒng)，在整個制造過程，僅需改變CAD模型或反求數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，對成型設備進行適當?shù)膮?shù)調(diào)整，即可在計算機的管理下制造出不同形狀的零件或模型，特別適合新品開發(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)是計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、控制技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)和機械工程等多項交叉學科的綜合集成。它以離散/堆積為方法，在計算機和數(shù)控技術(shù)基礎上，追求最大的柔性為目標。

2.2.4 設計制造一體化。一個顯著特點是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。

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

2.2.6 材料使用廣泛性。金屬、紙張、塑料、樹脂、石蠟、陶瓷甚至纖維等材料在快速原型制造領域已有很好的應用。

2.3 快速成型主要工藝

RP技術(shù)結(jié)合了眾多當代高新技術(shù)：計算機輔助設計、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：分層實體制造；3DP工藝：三維印刷；PCM工藝：無木模鑄造。

3 逆向工程和快速成形在模具制造中的應用

RPM技術(shù)在模具制造方面的應用可分為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模具、沖壓類模具和鑄造類模具等，通過將精密鑄造、中間軟模過渡法以及金屬噴涂、電火花加工、研磨等先進模具制造技術(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。

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、樹脂等）。通常情況下，非金屬成型無法直接作為模具使用，需要以RP原型作母模，通過各種工藝轉(zhuǎn)換來制造金屬模具。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，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)點是成本低、周期短、形狀限制小、復制精度高，具有良好的柔性和彈性，能夠澆注出結(jié)構(gòu)復雜、花紋精細、無拔模斜度以及具有深凹槽的塑料件。缺點是可供成型的樹脂種類有限。

3.1.2 環(huán)氧樹脂模具。環(huán)氧樹脂模具采用環(huán)氧樹脂作為模具基材，制作工藝與硅膠模類似。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2mm甚至更厚），然后用鋁顆粒與樹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。其特點是工藝簡單、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4周，壽命較長，可生產(chǎn)250000個塑料制品。

3.2 直接快速制模技術(shù)（DRT）

對于單件小批量生產(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)完成非常復雜的零部件模具的制造，而且越復雜越能顯示其優(yōu)越性。

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

基于SLS基礎的金屬粉末堆積成型工藝。該類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設備成型使用。金屬材料包括不銹鋼、鎢及碳化鎢。

3.3 應用實例

3.3.1 模型驗證：為減少模具投入風險，利用快速成形工藝，制作樣板，通過實物功能驗證，以保證產(chǎn)品設計的正確性。

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)省時間和費用的特點。

3.3.3 鉆頭模具制造：傳統(tǒng)方式，制造鉆頭需要通過制作石墨模具加工，成本高；如果設計出錯，就會完全報廢；使用快速成形制作印模，澆注硅膠模，節(jié)省時間及成本。

4 結(jié)語

RE、RP、RT技術(shù)是產(chǎn)品快速設計與制造系統(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)絡相結(jié)合而組成的快速反應集成制造系統(tǒng)，將成為設計與制造新技術(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)及以其為基礎的快速模具技術(shù)在企業(yè)新產(chǎn)品的快速開發(fā)中有著重要的作用，它可以極大地縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，降低研發(fā)風險，對所有企業(yè)都是一個特別有效地研發(fā)平臺，該項技術(shù)必將得到廣闊的應用與發(fā)展。

參考文獻

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[4] 快速成型設備在模具行業(yè)中的應用[S].北京太爾時代有限公司培訓課件，2012.

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

作者簡介：呂彥梅（1963-），女，遼寧撫順人，鞍山技師學院高級講師，研究方向：模具專業(yè)教學及教學管理。

（責任編輯：周 瓊）