基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法.pdf

本发明涉及一种纸浆模塑吸滤模具制造方法，具体地说是一种基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法。基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法，包括如下步骤：步骤一、吸滤气孔的设计；步骤二、STL文件的生成；步骤三、STL文件的处理：利用数据处理软件Magics对纸塑吸滤模具的STL文件进行处理，生成用于快速成型制造的纸塑吸滤模具的CLI层切片文件；步骤四、CLI层切片文件的转化换：将纸塑吸滤模具的CLI层切片文件转化成快速成型机可识别的文件，再输入快速成型机；步骤五、烧结材料的选择：选择聚苯乙烯粉末或尼龙粉末作为烧结材料；步骤六、设定烧结工艺参数并制造；步骤七、增强处理：在制备的原型件表面涂敷树脂，以增强制件强度，形成吸滤模具。以提高纸浆模塑吸滤模具的制造精度和效率。

1、  基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法，其特征是该方法包括如下步骤：
步骤一、吸滤气孔的设计：利用三维软件Pro/E在已经设计好的纸塑吸滤模具的CAD数字模型模具表面设计出若干个吸滤气孔；
步骤二、STL文件的生成：再用三维软件Pro/E将纸塑吸滤模具的CAD文件转化为纸塑吸滤模具的STL文件，用于快速成型制造；
步骤三、STL文件的处理：利用数据处理软件Magics对纸塑吸滤模具的STL文件进行处理，生成用于快速成型制造的纸塑吸滤模具的CLI层切片文件，处理内容包括：
a、应用Magics软件中文件修复功能，对纸塑吸滤模具的STL文件中的错误进行修复；
b、设置纸塑吸滤模具的STL文件的边界体积支撑，防止烧结件变形；
c、应用数据处理软件Magics对纸塑吸滤模具的STL文件中有关吸滤气孔的Z方向半径进行补偿设置，以提高吸滤气孔的成型质量；
步骤四、CLI层切片文件的转化：将纸塑吸滤模具的CLI层切片文件转化成快速成型机可识别的文件，再输入快速成型机；
步骤五、烧结材料的选择：选择聚苯乙烯粉末或尼龙粉末作为烧结材料；
步骤六、设定烧结工艺参数并制造：将所选的烧结材料加入快速成型机的成型腔内，启动快速成型机，由快速成型机根据转化后的CLI层切片文件，自动完成制造过程，烧结出纸塑吸滤模具的原型件；在启动快速成型机前，先对快速成型机设定如下烧结工艺参数：
激光功率(w)        10～20
扫描速度(mm/s)     1500～3000
烧结温度(℃)       70～110℃
扫描间距(mm)       0.1～0.3
层厚(mm)           0.1～0.25
扫描方式           X轴与Y轴方向交替进行；
步骤七、增强处理：在制备的原型件表面涂敷树脂，以增强制件强度，形成吸滤模具。

2、  如权利要求1所述基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法，其特征是：在经过增强处理后，再进行网模的覆盖：利用焊接、粘接或绑接方法在吸滤模具的表面覆盖网模。

基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法
技术领域
本发明涉及一种纸浆模塑吸滤模具制造方法，具体地说是一种基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法。
背景技术
快速成形技术(Rapid Prototyping&Manufacturing)20世纪80年代起源于日本，很快发展到美国和西欧。该技术是采用逐点或逐层成型方法，一次成型复杂的零部件或模具，不需要任何工装，节约了制造费用，缩短了制造周期，实现了三维制造及其可视化，有利于设计人员、制造人员和用户之间的信息交流。可在设计阶段完成实验研究工作，减少实验周期和材料消耗，从而可以对产品设计进行快速评价、修改、以响应市场需求，提高企业的竞争力，堪称制造领域人类思维的一次飞跃。快速成形技术汇集了计算机、激光、CAD、数控、理化、材料、通信网络等诸多工程领域的先进成果，解决了传统加工方法中的许多难题，它的出现代表着制造技术的又一次重大突破。快速成形技术在航空航天、机械电子以及医疗卫生等领域有着广阔的应用前景，自诞生以来就受到了广泛的重视并迅速成为制造领域的研究热点。随着应用领域的不断扩大，快速成形技术已经成为先进制造技术的重要组成部分。它和六十年代数控技术、八十年代特种加工技术的发展具有同等的意义。
SLS(Selective Laser Sintering)技术是快速成形技术的一个分支。该技术的原理是用计算机控制激光束作用于粉末材料，被扫描区域的粉末(约十分之几毫米)产生化学反应而熔融粘结，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，以便粘结固化好的制件表面再敷上一层新的粉末材料，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。该技术具有制造速度快，成本低，材料利用率高等特点，目前已经广泛应用于各个领域母模或功能性零件的生产和制造。将此项技术系统的应用于纸塑模具制造行业，在国内外还都处于试验验证阶段，至今还没有成熟的工艺流程和系统的制造方法。
我国的纸浆模塑技术自八十年代从国外引进至今后，发展迅速，如今已逐步取代难于回收、易于造成白色污染的泡沫塑料，用于包装手机、显示器、笔记本电脑和其他家电产品。2003年2月13日，欧盟正式启运针对电子产品原料、配件及包装物料绿色化的《报废电子电气设备指令》(WEEE)和《关于在电子电气设备中禁止使用有害物质指令》(ROHS)两项法令，加快了全球电子产品的绿色环保进程。而纸制品包材和发泡塑料包材的欧洲环保税率分别是0.18Euro/Kg和0.35Euro/Kg，两者相差约7.5倍。我国是电子产品的加工出口大国，因此，纸浆模塑材料在产品包装领域替代发泡塑料可谓势在必行、前景广阔。
现今的纸浆模塑关键技术和生产成本在于纸塑模具的设计和制造。目前企业中广泛使用数控加工的方法生产出铝合金吸浆模具由于模具材料和加工方式的限制，导致模具设计不准确、结构特征局限、开发成本高、开发周期长。同时由于加工成型后难于进行修改，导致出现模具开发风险大、材料浪费等问题。因此，研究采用新的模具设计方法和模具制造工艺来降低生产成本，提高经济效益，成为众多纸塑企业热切关心和迫切需要解决的问题。
纸浆模塑制品成型工艺与橡胶和塑料制品在模腔内成型大不相同，纸浆模塑制品成型所采用的纸浆液料是一种只含1％左右纤维的水溶液，成型过程中必须除去大部分的水分，使纸浆纤维附着在成形模具表面从而形成纸坯。成型模具结构由凸模、凹模、网模(滤网)等组成，其中凸模(即吸滤模具)和网模是纸模成型模具的关键。网模是由直径0.15mm～0.25mm的丝网(金属或塑料)编织而成，网目数一般在45～60目之间。网模通过焊接或粘结的方式依附于凸模表面，凸模表面布满直径大小为2～4mm的透气通孔。凸模通过模具座安装在成型机的模板上，凸模背部与模具座之间形成一定空间的背腔，模板的另一面安装有气室，气室与背腔相通，气室壁上设有两个通压缩空气或抽真空的通道。真空吸附成型时，气室内形成300Pa～650Pa的真空，于是纸浆纤维附着在网模表面形成含水量在70％～75％的湿纸坯。初成型的湿纸坯吸附在网模上，强度很低，必须依靠另外一个与之对应的凹模合模之后，使湿纸坯置于合模后的模腔内，利用压力差使之转移，最后送入烘干设备中进行烘干。
目前，纸浆模塑行业吸滤模具的制造大都采用CNC加工的方法生产铝合金模具，开发周期长，开发成本高。由于吸滤模具表面需要布满透气通孔，因此在模具加工出来以后，还要采用人工打孔的方式钻取透气通孔，费时费力。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法，以提高纸浆模塑吸滤模具的制造精度和效率。
基于SLS快速成形原理的纸浆模塑吸滤模具制造方法，其特征是该方法包括如下步骤：
步骤一、吸滤气孔的设计：利用三维软件Pro/E在已经设计好的纸塑吸滤模具的CAD数字模型模具表面设计出若干个吸滤气孔；
步骤二、STL文件的生成：再用三维软件Pro/E将纸塑吸滤模具的CAD文件转化为纸塑吸滤模具的STL文件，用于快速成型制造；
步骤三、STL文件的处理：利用数据处理软件Magics对纸塑吸滤模具的STL文件进行处理，生成用于快速成型制造的纸塑吸滤模具的CLI层切片文件，处理内容包括：
a、应用Magics软件中文件修复功能，对纸塑吸滤模具的STL文件中的错误进行修复；
b、设置纸塑吸滤模具的STL文件的边界体积支撑，防止烧结件变形；
c、应用数据处理软件Magics对纸塑吸滤模具的STL文件中有关吸滤气孔的Z方向半径进行补偿设置，以提高吸滤气孔的成型质量；
步骤四、CLI层切片文件的转化：将纸塑吸滤模具的CLI层切片文件转化成快速成型机可识别的文件，再输入快速成型机；
步骤五、烧结材料的选择：选择聚苯乙烯粉末或尼龙粉末作为烧结材料；聚苯乙烯粉末吸湿率小，收缩率也小，受热后可熔化、粘结，冷却后固化成型，烧结后可作为原型件或功能件使用；尼龙材料机械性能优异，拉伸强度、韧性、耐反复冲击振动、耐磨性能都非常突出。但由于价格较聚苯乙烯粉末昂贵，且烧结工艺较难控制，目前国内并未形成广泛的商业化使用；
步骤六、设定烧结工艺参数并制造：将所选的烧结材料加入快速成型机的成型腔内，启动快速成型机，由快速成型机根据转化后的CLI层切片文件，自动完成制造过程，烧结出纸塑吸滤模具的原型件；在启动快速成型机前，先对快速成型机设定如下烧结工艺参数：
激光功率(w)     10～20
扫描速度(mm/s)  1500～3000
烧结温度(℃)    70～110℃
扫描间距(mm)    0.1～0.3
层厚(mm)        0.1～0.25
扫描方式        X轴与Y轴方向交替进行；
步骤七、增强处理：在制备的原型件表面涂敷树脂，以增强制件强度，形成吸滤模具。
在经过增强处理后，再进行网模的覆盖：利用焊接、粘接或绑接方法在吸滤模具的表面覆盖网模。
本发明的优点是：应用SLS快速成形技术，直接制备带有透气通孔的纸浆模塑吸滤塑料模具。通过增强强度的后处理工序，使塑料模具完全可以替代传统铝合金吸滤模具进行纸模的生产。此种生产工艺只需要传统加工方法30～50％的工时和20～35％的成本，大大缩短了开发周期和开发成本，缩减了生产工序，提高了生产效率。
SLS激光烧结快速成型技术多被应用于母模的制造，将其应用于制造纸浆模塑吸滤模具(功能性模具)，在纸塑行业尚属首次。由于纸浆模塑吸滤模具多孔成型的特点，在应用SLS激光烧结快速成型技术对纸浆模塑吸滤模具进行制造的时候，和制造其他模具所要求的工艺参数也不相同。
附图说明
图1是角垫的三维模型图。
图2温控曲线图。X轴为层数，Y轴为温度。
具体实施方式
步骤一、吸滤气孔的设计：在三维软件Pro/E中应用“阵列”命令直接在已经设计好的纸塑吸滤模具的CAD数字模型模具表面设计出若干个吸滤气孔；此种方法改变了传统吸滤气孔人工钻取的工艺，达到吸滤气孔的一次性设计，提高了吸滤气孔的设计准确性和效率。
由于纸塑产品生产制造的特点，在纸塑的吸滤模具表面，需要设置直径为3～5mm的很多小孔，如图1所示。其主要作用是为纸模生产时的真空吸滤过程提供透气通孔，使纸浆在气压吸力的作用下吸附于附在模具表面的铁丝网面上，形成纸模。传统铝合金模具的透气孔为人工钻孔，由于模具结构复杂，钻孔工序往往耗费大量的时间和成本，同时透气孔质量难以保证，影响纸模吸滤成型效果。
步骤二、STL文件的生成：用三维软件Pro/E将纸塑吸滤模具的CAD文件转化为纸塑吸滤模具的STL文件，用于快速成型制造；
步骤三、STL文件的处理：利用数据处理软件Magics对纸塑吸滤模具的STL文件进行处理，生成用于快速成型制造的纸塑吸滤模具的CLI层切片文件，处理内容包括：
a、应用Magics软件中文件修复功能，对纸塑吸滤模具的STL文件中的错误进行修复；
b、设置纸塑吸滤模具的STL文件的边界体积支撑，防止烧结件变形；
c、应用数据处理软件Magics对纸塑吸滤模具的STL文件中有关吸滤气孔的Z方向半径进行补偿设置。基于SLS烧结工艺逐层累计的成型工艺及纸塑吸滤模具多孔的特点，在处理STL文件时，需要对Z方向设置半径补偿，避免加工孔变形，提高成型质量；对STL文件的处理提高了吸滤模具文件的精度，有利于后续的快速成型制造；
步骤四、CLI层切片文件的转化：将纸塑吸滤模具的CLI层切片文件转化成快速成型机可识别的文件，再输入快速成型机；
步骤五、烧结材料的选择：选择聚苯乙烯粉末或尼龙粉末作为烧结材料；聚苯乙烯粉末吸湿率小，收缩率也小，受热后可熔化、粘结，冷却后固化成型，烧结后可作为原型件或功能件使用；尼龙材料机械性能优异，拉伸强度、韧性、耐反复冲击振动、耐磨性能都非常突出。但由于价格较聚苯乙烯粉末昂贵，且烧结工艺较难控制，目前国内并未形成广泛的商业化使用；
步骤六、设定烧结工艺参数并制造：将所选的烧结材料加入快速成型机的成型腔内，启动快速成型机，由快速成型机根据转化后的CLI层切片文件，自动完成制造过程，烧结出纸塑吸滤模具的原型件；由于纸塑吸滤模具多孔，为了便于在模具成型后清粉方便，提高制造效率，烧结时所需的工艺参数控制与制造其他零件时也不相同。通过大量实验，确定了一套适合于制造纸浆模塑吸滤模具的工艺参数配比，既保证了模具的精度和强度，又提高了制作效率。快速成型机的烧结工艺参数如下：
激光功率(w)：     10～20
扫描速度(mm/s)    1500～3000
烧结温度          70～110℃
扫描间距(mm)      0.1～0.3
层厚(mm)          0.1～0.25
扫描方式          X轴与Y轴方向交替进行；
成型时，先在快速成型机的成型腔内铺一层聚苯乙烯粉末材料，激光发射装置受控运动，在铺了聚苯乙烯粉末材料的成型腔中施行逐层扫描。激光聚焦光斑扫描所到之处，聚苯乙烯粉末烧结形成物理模型的组成部分，直至形成完整的物理模型。将其从聚苯乙烯粉末材料的成型腔中取出并清除多余粉末即得原型。SLS工艺材料的利用率高，材料的适应面广，不仅能制造高强度塑料件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，目前应用十分广泛。
步骤七、增强处理：在制备的原型件表面涂敷树脂，以增强制件强度，形成吸滤模具；
SLS加工件本身的表面粗糙度和强度比较低。因此，SLS成形后，仍需进一步的处理来提高加工件的性能。现行的工艺有三种：第一种是对加工件进行表面处理，以提高其表面粗糙度等级以及适当提高加工件的强度。这种处理工艺主要用于可视化的加工件。第二种是用树脂进行处理，提高其强度。这种处理工艺主要用于功能零件的加工件，本发明采用的是这种工艺。第三种是进行浸蜡处理，提高加工件的强度和表面粗糙度等级。这种经过浸蜡处理的加工件可以作为蜡模直接用于精密铸造。
在经过增强处理后，再进行网模的覆盖：利用焊接、粘接或绑接方法在吸滤模具的表面覆盖网模。
步骤八、纸模的生产：吸滤模具制造后，可直接进行纸模的生产。
下面以纸护角吸滤模具为例，描述一个实际的制作过程：
实验材料：聚苯乙烯粉末(PSB)。
实验样件：纸护角吸滤模具，见图1。工艺参数见表1。
表1.工艺参数设置表

其中，温控曲线1如图2所示：从铺粉到试件第70层，温度从100℃上升至115℃，从第70层到第499层(最后一层)，温度由115℃逐渐降至108℃，保温过程中，温度逐渐降至100℃。
形成原型件后的处理及附网：
SLS加工件本身的表面粗糙度和强度比较低。因此，SLS成形后，仍需进一步的处理来提高加工件的性能。为了尽可能的提高制件的抗弯抗压强度，得到适合直接用于纸模生产的功能性纸塑吸滤模具，采用涂敷树脂的后处理工艺。
固化后处理后，样件测试的性能包括收缩、密度、抗压强度。
测试结果与分析：
通过表2的实验数据可以看出，模具的收缩率和抗压强度完全满足纸浆模塑工艺生产要求。固化时间2小时时，模具的密度和强度达到最大，接近实体密度。
表2环氧树脂后处理收缩测试试验结果

表3环氧树脂后处理强度性能测试试验结果

传统铝合金模具的网模往往通过点焊的方式焊接于吸滤模具之上。由于SLS烧结出的塑料模具不具备导电功能，故可采用粘结或用细铁丝捆绑固定的方式。在附网的过程中，可根据模具的形状特点，分片粘结或覆盖网模。