快速制造的新形式

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一种新的层压加工技术给需要以最佳成本-效益比例生产“快速工具”的模型制造商带来了很多优势。
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  t' s' Z; v5 Z( l9 D1 d全球竞争给现在的几乎所有行业的影响与日俱增。为用户快速提供新产品的必要性在增加，谁能先交付用户需要的新产品，谁将获得最大的回报，这是一个众所周知的事实。
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本文的重点是介绍一种新技术，它表现出超越多数RT系统的能力。由于层压加工技术最近的发展，它已经成为满足几种行业RT要求的一个解决方法。层压加工以前的很多不足之处已经被克服-这使得它成为适用于几种行业的工艺。

+ T# h! e/ O( ?! L/ e9 I8 V$ B/ d3 q' Q工艺
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3 h0 @/ t  ^# y9 t- _这种新的层压加工工艺以CAD文件为开端，启动计算机程序切割工具并产生用于切割型材的激光输出。型材切割之后被堆积、结合并抛光以建立最终工具结构。
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该工艺开始于工具数学数据的产生。它要么是一个完全抛光的网架，要么是一个实体模型。这里优先选用实体模型，唯一的原因是数据完整性通常更好。软件有内部公差选项，能够自动跳过抛光面数据较差的错误或者间隙。

该系统是一种闭合回路工艺，能够在建造过程中连续更新建造数据。使用实时反馈能力对数据监测并调整，以补偿材料厚度合建造过程中的其他变量。结果是形成了所有几何形状部件都在设计位置的精确的工具。该工艺使用几种技术中的一种或者几种技术的综合来密封工具并叠层结合在一起。这里使用了栓接、钎接、粘接和渗铜以及其它专利工艺。

' x0 E; c! x& e) I% g9 f) |工具加工面通常以一个轻加工轧槽结束，以便消除层压板之间转换时生成的梯级。消除梯级的机加工工作量是最小的，因为闭合回路系统保证所有部件都在设计位置。

应用
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这种新的层压加工技术有几种潜在的用途。其中一些目前尚在开发阶段，另一些正在用于生产。目前已经在使用的用于原型机加工和/或生产加工的工艺如下：

& x. f  N. U. u) \$ n1 q● SS 注射模具
●铝制模具
' Y# f8 T, T5 [●反应注射模具 (RIM)
●发泡模型
" S* u: a) L/ ~7 w" G●模具成型中的有限应用。

( k. V7 M6 a3 k  |目前能够获得的原型机和生产加工的工具的样品如图1、图2、图3所示：

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7 O7 z1 `0 y8 ~, t0 y/ L0 f, Q图1：用于运动鞋行业的喷射模型

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( n6 z/ D+ ?1 H4 @+ p+ n图2: 用于汽车工业的RIM

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图3: 用于汽车工业中的发泡模具

其他类型的加工方法正在开发阶段。它包括真空成型工具、模具浇注工具和其他用于高通风工具的独特应用。这些加工方法要么是内部开发，要么是和所选择的有具体需要的模具制造商一起开发。
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. T8 g7 |1 v- [- {; s认识到层压加工可能是所有加工需求的最好方法，问题是什么工具是层压建造的最佳选项？覆盖所有具体应用是比较困难的。下面的准则是通用的，因此，最好分析每种工具自身的优点。通常，模具制造商从满足下面描述的一种或者更多情况的应用中已经取得了最大的回报。

- b6 ?; f9 o0 ?0 q( ^5 n● 中型到大型工具
1 b, _) b8 T2 N, w0 n8 p2 p● 有温度控制问题的工具
● 要求独特形状的工具，比如叠层间需要排气的
; A- x* T; P- b● 传统工具建造的时间太短
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通常，模具制造商都在寻求一种能超过其竞争者的优势，下面的优点概括了它们为什么选择层压加工而不选择其它工艺。
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优点

3 P+ B. P* r3 D3 V层压加工本身并不是一个新概念。可是，这个工艺的自动化及开发已经被带到了一个新的水平，使得它在这个领域比其它尝试有着明显的优势。该工艺的优势如下：

1 t/ L) P5 S! h8 n+ I速度
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通常需要几周或者几个月时间来建造的工具可能在几天之内就建成了。高速激光器和自动装置使得工具能够很快地、有效地建造。工具建造在工具设计之后立即开始，因为常用建造材料库存保持在自身内部。在传统工具建造中仅订购并接收材料所花费的时间内，可能已经有很多层压工具的建造基本完成。
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4 J( J- F" C$ X3 ]+ n1 k& `+ C成本低
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传统加工和层压加工相比较，成本节约量因用途的差异有很大的不同。节约量从最大可达40%。如果只考虑最适合层压工艺的工具，节约量在20%～40%之间。

0 i- l# W0 ?3 D/ A3 B精确性
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公差和加工的精确性首先应该归功于制造工具所使用的独特软件。这个软件的开发用了几年时间，它能够自动补偿材料厚度的变量和施工过程中建造变量。通过使用实时反馈控制元件，对加工几何图形作分析并对按要求调节建造工艺。因此，当工具从半自动设备上去除时，工具内的所有部件都在其适当的位置。工具建成之后，其精确度在CNC公差范围之内。
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4 l# F7 ?; A' G- X9 r+ I钢和铝工具

很多RT工艺不用钢和铝建造工具。典型的RT工艺使用环氧树脂、聚合材料或者其它耐用化合物比如烧结合金。认识到它们在RT中所起的作用后，它们可能因材料性能的局限性而不适合用于生产。耐用性、工具强度、精确度和温度控制可能会成为问题。涉及到耐用性、强度和精确度时，这些新的原型机工具能够模拟传统的钢和铝工具的性能。通常，如果考虑温度控制，它们的性能要比传统工具的性能好。这些工具的加工面可能要求额外的处理，是否需要这种处理由数量要求和腐蚀性材料决定。成品工具可以是CNC或者EDM机加工和焊接的或者采用传统技术进行粒化。

0 z/ F: m2 \5 p/ N无尺寸限制
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) O0 n' o6 A* ~' G不象很多快速加工工艺，大工具尺寸不成为问题。该工艺是具有规模性，因此可以建造大工具。然而，目前设备限制把每一半工具的建造尺寸限定在大约1.5ft×4ft×7ft。到现在为止，所建造的最大工具尺寸为1.3ft×2.5ft×5ft（上部和下部模具尺寸结合起来）。

# n- V" F) l% j! z, X9 c保形冷却
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保形冷却被定义为在工具内建立冷却/加热结构的能力，它要么必须符合工具表面轮廓，要么因为部件的薄/厚部分可能决定最佳温度控制而与该轮廓有偏差。其目的一般是让部件均匀冷却或加热。保形冷却通过大幅度减少循环时间给模型加工提供了很多优势。除过明显的工件成本节约外，其它明确的优点包括工具、设备和地板空间的节约。

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图4：鞋子模型的浸入冷却

最近的研究表明，保形冷却可以把采用传统冷却工具所需的循环时间减少30%～60%。节约量在很大程度上依赖于几何图形。传统技术中的温度控制越是困难，采用保形冷却获得节约的机会越大。层压加工工艺很自然地导向在注射模具或者其它加工方法中采用保形冷却的道路上来。这种冷却结构类型的例子如图4所示。这个图中所示的工具用于生产鞋底。复杂的冷却结构用紫色表示。采用传统的钻孔水管，模具结构因为注射器销子定位要求的影响不能为自己找到一条有效的冷却方法。新工艺使用了浸入冷却法，这种方法能够非常有效地冷却工具。冷却工具的水从工具一侧的四个位置进入并在流经工具时受到阻挡，从工具另一侧的四个位置流出。随着几何图形的变化能够看到的板到板之间的梯级效果是层压加工的一个很自然的现象，这个现象既存在于内部，也存在于外部。在表面上这些梯级被消除了。但是，由这些梯级带来的湍流能够产生更加有效的冷却。如果与传统工具相比，这种工具的总体循环时间被减少了45%。

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无需建立原型机

# E. L; a% R8 n5 P) _' }$ u6 i2 Z) x2 F这是采用层压加工的又一个节约成本和时间的特征。这里，原型机工具重新组合以满足生产工具标准。给层压工具表面铺设一种硬工具钢合金。表面经过二次机加工后，原型机工具就变成了生产工具。如果存在这样作的机会，原型机保持不动，只是表面需要再次加工以便变成生产工具。应该指出的是，在很多情况下，使原型机工具能够用于生产的表面再加工可能不需要。根据所要生产的部件类型比如体积、表面要求、材料耐磨性等等，原型机层压工具可能本身可能足够对付生产。

总结
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这种快速加工工艺有很多潜在的优点。用钢或铝制造工具的方式是以一种快速的并且成本效益显著的方式。高度自动化工艺创造了精确的加工，它可用于很多加工用途。一般情况下，它们的性能因为提高了的温度控制能力而优于传统工具。可以根据要求对它们粒化、焊接和抛光。这种工艺没有尺寸限制，只是现有的设备限制着加工的尺寸。