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选择叠加加工还是其他加工方式

在塑料件的生产过程中,从首批样品到批量生产,存在着数个不同阶段,这给用户出了一道难题:到底选择哪种快速原型的加工方式才是最合适的?

在此,我们对叠加加工、硅胶浇注、塑料型模部件和桥梁工具的利弊,以及在标准件和特殊件制造应用中的可能性进行了一个大概的比较。

直接由CAD数据导出的无工具加工

叠加加工方式,例如FDM熔融沉积造型术、激光烧结、立体光固化成型技术和快速固化成型,能够直接从CAD数据中导出进行快速的零部件无工具制造。叠加加工方式最突出的几大特点就是灵活性、快速性、自由性和材料的广泛性。

图1 进行外形回火:这种模具插件的使用要保证激光生成的自由度。(图源:Renishaw公司)

不同的光敏聚合物和热塑性塑料具有不同的机械特性和热学特性可供选择。按照德国工业标准色彩体系的要求,彩色零部件必须对零部件进行喷漆。

目前,在生产研发过程中,原型零部件的加工主要应用于功能性研究。所要求的功能性检查和目标材料在后续的注塑过程中取决于叠加加工方式和材料。零部件是否适合批量生产,取决于生产的基本条件,比如安装位置、结构空间填充、安装流程、原材料的质量等等因素。对叠加加工方式的流程评估也是生产过程中的重要部分。供应商还可以按照加工标准[公差值、恒定质量、流程FMEA(失效模式与影响分析)等]对零部件进行配色。叠加加工方式的优点包括:从设计和工程的角度出发,可以设计更加复杂的零件;从制造角度出发,减少设计、加工、检查的工具;从市场和用户角度出发,减少风险,可实时地根据市场需求,低成本地改变产品。

多级流程:硅胶浇注

硅胶浇注(SG)通常分为真空浇注、聚氨基甲酸脂类浇注或者聚酰胺浇注。由于浇注是一个多级的过程,从叠加加工的原始模型,经过硅胶模具,到模具回火,然后最终浇注,其质量很大程度上取决于供应商。用户可以选择的材料范围非常广泛。通过调整混合配比能够实现接近德国工业标准色彩体系要求的颜色。在产品研发过程中,通常会加工5到50个工件用于要求非常严格的检验。由于桥梁工具的生产制造越来越方便快捷,所以硅胶浇注的标准件应用在近几年里越来越少了,然而多组分和混合部件的浇注加工仍在应用,小批量的特殊应用也仍在使用。

塑料型模部件

在引进立体光刻技术后不久,就展开了直接或间接通过浇铸工艺来为注塑工艺制造塑料型模部件的研究。其优点是:能够快速方便地加工零部件。缺点是产量极其不稳定。根据零部件的几何形状、型模部件的结构和工艺控制的方式,在注塑成型过程中,某些塑料型模部件需要多次循环加工,有可能会在第一次注塑时就损坏。由于以上这些不稳定性,这种加工方式已经很少运用。随着使用经验的逐渐积累,塑料型模部件在接下来的几年内,仍会扮演着非常重要的角色。在用于快速原型加工时,应当考虑到尽管使用同样的材料,也有可能会出现无法保证批量生产的情况。

桥梁工具

使用母体模具铣削成型的铝和钢的型模部件的标准化流程和平行流程,以及在操作中使用许多小技巧进行加工的方式,在过去的几年里,为注塑模具的原型制造和小批量制造大大节约了成本和生产时间。当然,工具的使用很大程度上取决于对零部件的要求。

图2 硅胶模具:多级流程用于小批量生产或者高要求的原型制造。(图源:Alphacam公司)

在原型制造或者批量生产中,大多会使用特制的桥梁工具。要求严格的、结构复杂的零部件,通常会有一张规格清单,注明一系列的要求(喷射点、流程进行等)。这样的系列测试会增加成本和时间。如果是非关键性的零配件,只需要从CAD数据中导出,由供应商单独进行设计。这样的加工方式就不需要进行温度循环。桥梁工具对于保证标准件以及标准流程是否能够起到作用,取决于应用方式和零件结构。在任何情况下都能保证批量生产的近似性。该加工技术完全能够满足小批量和中等批量的生产要求。零部件的质量可以通过阳极化处理(铝)或者涂层来增加。

特殊工具制造

通过金属激光烧结或者金属激光熔化能够让型模部件在回火管道里进行设计和加工。这种型模部件通常是使用叠加加工和数控铣削一起进行生产。优点是能够在加工数量众多的几何形状要求高的零部件时,能够缩短注塑循环周期,提高流程稳定性和零部件质量。模拟、传感技术、混合型模部件和工具设计对经验的要求比较高,这种技术能够满足高要求的应用。


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