如何用3D列印解決機器人專用零件的模具生產難題？

最新 05-28

快速成型技術（RPM）是一種基於材料堆積法的高新製造技術，可由CAD模型驅動直接得到實體模型或模具，不需傳統加工工具和模具，大大縮短產品開發周期，降低製造成本。

3D列印技術的出現帶來了傳統模具設計製造的改革，在一定程度上增加了模具設計的自由度，降低工藝的複雜性，縮短生產周期，節約生產成本。傳統模具製造需要經過審圖、模架加工、型芯加工、電極加工、模具零件加工、檢驗裝備、試模之後才能進行生產，工藝流程複雜。3D列印經過建模軟體建模後，再截圖「切片」給印表機，印表機讀取橫截圖信息即可進行列印生產，省去了繁瑣的工藝步驟。一副模具的隨形水道加工，採用傳統的製造技術不僅加工難度大，並且需要5個加工人員，大約需要12個工作日才能完成，而利用3D列印技術只需68個小時就可以完成隨形水道全部加工工作。

以蛇形機器人蛇皮模具設計與使用的實際經驗為出發點，詳細論述了3D列印技術在澆鑄成型模中的應用，針對澆鑄成型在3D列印模具中的成型特點做了概述。

3D列印技術現狀簡介

目前，市面上常用的塑料3D印表機成型機理可分為熔融沉積（fuseddepositionmodeling，FDM）、立體光固化（stereolithographyappearance，SLA）、數字光投影光固化（digitallightprocessing，DLP），其中FDM成型機由於成本低成為市場主流，但其成型精度不如SLA、DLP。近幾年，SLA、DLP列印開始興起，但由於成型原理限制，SLA、DLP成型機還不能列印大尺寸的產品。3種成型機理如下所述。

FDM

基本原理是在計算機的控制下，噴頭作XOY平面運動，將熔融的材料塗覆在工作台上，冷卻後形成工件的一層截面，一層成形後，噴頭上移一層高度，進行下一層塗覆，逐層堆積形成三維工件。

SLA

技術原理是計算機控制激光束對光敏樹脂為原料的表面進行逐點掃描，被掃描區域的樹脂薄層（約十分之幾毫米）產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。工作台下移一個層厚的距離，以便固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，進行下一層的掃描加工，如此反覆，直到整個原型製造完畢。

DLP

其成型技術和SLA成型擠術相似，不過它是使用高解析度的數字光處理器投影儀來固化液態光聚合物，逐層的進行光固化，由於每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，成型速度比SLA成型速度快。

蛇形機器人蛇皮設計與製作分析

蛇形機器人蛇皮用途分析

蛇形機器人是一種能夠模仿生物蛇運動的新型仿生機器人，能實現「無肢運動」，被國際機器人業界稱為「最富於現實感的機器人」。蛇形機器人運動時，為了增大蛇身與運動面的摩擦力，同時保證蛇身與運動面碰撞時不產生硬性衝擊，故在蛇身上套一層蛇皮，以保護蛇身，使蛇形機器人運動時在與運動面碰撞過程中產生緩衝作用，同時增大行走摩擦力。蛇形機器人樣機結構如圖1所示。

圖1 蛇形機器人樣機結構

蛇形機器人蛇皮的設計分析

為保證蛇形機器人的各種運動步態順利進行，蛇形機器人的蛇皮設計成圓筒狀，並且需要覆蓋所有運動過程中可能與運動面接觸之處，還應避免各節蛇身運動時發生的運動干涉，初步設計的蛇皮結構如圖2所示。

圖2 初步設計的蛇皮結構

經功能分析，蛇皮材料應採取彈性高、摩擦因數高且耐磨的材料，綜合考慮後，材料初步在橡膠、聚氨酯、硅膠3種材料中選取。依據蛇皮的結構功能分析，蛇皮尺寸精度要求不高，外圓面允許有非均勻過渡面。

蛇形機器人蛇皮的製作分析

蛇形機器人樣機製作時應盡量控制製造成本，如果使用金屬模具通過橡膠注射成型，雖然產品質量可以保證，但在設計相應模具時需加入型芯結構，使得整副模具的設計加工變得複雜。作為樣機開發，蛇皮的設計目標應作為設計驗證，後期若有市場能形成批量生產，則蛇皮結構可能會有所改變，模具也無法再使用。考慮到模具製造成本和設計周期因素，在設計驗證階段可採取其他加工方式，排除橡膠材料的選用。

經綜合考慮，由於自身有一台FDM型3D印表機，並且經設計階段蛇皮的結構功能分析，選擇通過3D列印技術列印模具。此外，聚氨酯澆鑄成型的設備要求高，且聚氨酯液價格較硅膠液昂貴，最後確定採用硅膠澆鑄成型。

通過切片軟體分析，設計完成模具列印的總時長為24h，但3D印表機可以連續工作，在非工作時間仍可繼續列印，實際操作中，從開始列印模具到修模完畢只需1.5個工作日。

初步設計的蛇皮模具分析

蛇皮模具結構分析

圖3 蛇皮模具3D裝配圖

圖3所示為蛇皮模具3D裝配圖。為了確保蛇皮的外觀質量，將分模面隱藏在內表面或設置在邊緣處，因此模具結構較複雜，模具共有7個零件，其中包含2塊模板和5塊型芯。由於3D列印的加工自由性，該模具為一體化結構，如圖4所示內模板的結構。相較於傳統的機加工工藝，減少了型芯的設計，降低了加工難度。

圖4內模板結構

蛇皮模具實際列印效果分析

3D列印精度低，對於精密配合件通過3D列印不能保證配合精度，需後期修配，而大餘量修配需耗費大量時間。採用澆鑄成型不需要大壓力，硅膠的黏度大，且在設計驗證階段，蛇皮外觀要求不高，故分模面的配合要求也不需要過高。在使用ZotraxM200印表機列印模具時發現，若將配合尺寸只按0.1mm以下的預留間隙進行列印設置，則列印出來的模具配合屬於過盈配合，需要修配的量大；按0.2mm配合間隙進行列印設置，則列印出來的模具屬於間隙配合，在實際使用過程中該間隙不影響澆鑄。

模具的實際澆鑄分析

澆鑄原料配備

用邵氏硬度為35度的液態硅膠與固化劑進行攪拌，液態硅膠和固化劑的配比為100:3左右，攪拌6~10min，至均勻狀態。

澆鑄過程

由於液態硅膠黏度過大，流動性差，在蛇皮薄臂處（見圖5橢圓處）容易出現澆鑄困難或無法澆鑄的情況。該澆鑄是非壓力成型，成型後的蛇皮緻密度差，在裝配過程中容易因拉扯而撕裂。