一、 RPM快速成形技术在传感器壳体制件的应用研究
清华大学于1992年成立了“激光快速成形中心”，1997年研制成功类似于FDM的MEM工艺，开发了相应的单功能或多功能快速成形设备。目前，该中心主要的研究方向是：FDM工艺、SSM(Slicing Solid Manufacturing)工艺、无木模制造技术、低温冰成形、基于RP的陶瓷型精密铸造技术及组织工程材料的喷射成形技术。
快速成形是一个由虚拟到现实的过程。这里包含着一个由数字模形的转换过程。在这个过程中，未来的产品以不同的形式转换着。先是CAD模型，后经STL转化为一系列的三角形，再经过分层处理后成为一层层的多过形。只有从无序的三角形变为有序的多边形时，快速成形系统才能实现由虚拟产品到现实产品的转化。
FDM熔融挤出成型——高性能的快速成型工艺。熔融挤出成型(FDM) 工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构——“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。
采用Mem系列熔融挤压快速成形型设备的零件原型制作过程，首先把三维数模用三维软件（UG）输出快速成型数模（*.STL）。使用快速成型专业处理软件处理三维数模，对数模上的坏边、坏面、反向面进行修补，使其没有缺陷。加支撑，调整支撑结构，输出支撑，进行切片演示。最后输出（*.Cli）文件。
熔融挤压成形工艺原理是材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结，层层堆积成型。喷头技术是熔融挤压成型工艺的核心，当前小型喷头技术、双喷头技术紧跟此项工艺的最新技术发展趋势。
A450 RPM快速成型机成型空间：350mm×380mm×450mm，成型层厚（Z轴）：0.125mm～0.4mm，成型精度：±0.2mm/100mm，成型速度：2～60cm3/h。成形材料以工程塑料如ABS、PC、尼龙等为主，成形材料具有良好的弹韧性，可以非常方便的用于装配验证。
流量传感器壳体零件的ModelWizard快速成形件制作零件为流量传感器壳体UG三维图形。
该产品的外观设计图，设计壳体，要求形状协调，具有一定的艺术性、科学性。壳材质为PC工程塑料。生产工艺：运用快速成形加工技术生产。
二、 Moldex3D模流分析技术在流量传感器壳体模具的应Moldex3D产品系列——Moldex3D为全方位的问题解决工具，它提供的三项主要产品，在塑料注射成型产业中受到广泛应用，包含：Moldex3D/Solid、Moldex3D/Shell以及Moldex3D/eDesign等。 Moldex3D具有以下特点：创新真实三维模拟技术、全方位整合式分析能力、强大自动化三维网格建置引擎、高解析度边界层网格技术 (BLM)、高效能多核心平行计算等。
本论文前面首先以流量传感器壳体为例论述了STL模型分层的基本原理，基于RPM技术、Moldex3D模流分析CAE的塑料注射成型模具设计制造应用方法。
我们首先运用Mem系列熔融挤压快速成形设备A450针对流量传感器壳体塑料制件进行快速成型制作。其次Moldex3D在流量传感器壳体塑料制品分析中也发挥了重要作用。我们对该制件进行了如下模流分析： ①充填分析：流动波前分布、压力分布、温度分布、剪切应力、锁模力②保压分析：体积收缩率③翘曲分析：X方向位移、Y方向位移、Z方向位移、总位移。实践证明：此次的试模于前端设计、制模、分析，使制品试模时减少了许多问题点。
三、 流量传感器壳体注塑成型模具的结构设计
（一）塑件工艺分析
某电器壳体产品分为前后两部分。材料为ABS，该塑件外形尺寸为39.04×39.61×18.55 (mm)，属于浅类小型腔塑件。
要求成型后的塑件内外表面光滑；顶杆位置均匀分布，顶杆印迹均匀一致，不得有顶白， 缩痕出现，分型面不得有飞边、毛刺。内外表面均要求达到镜面效果。产品的产量为20-30万件 ( 模具预期寿命按40万件设计)，壁厚小于2mm。
产品有多个碰穿位及配合柱位，尺寸精 度有平面度要求，也就是不能产生较大的收缩， 年产量40万件，属中批量生产。
型腔的数量是根据客户给定，为1模2腔，考虑到本产品的生产批量(中批量生产)和配合精度、实装精度较高并判定客户的注射机型号为震雄高速精密JM268MKⅢ-C注塑成型机，注射压力1550 kgf./cm2，因此设计的模具为双型腔两件一套产品的模具。要求成型后产品不能有流痕，毛边等缺陷。图中未标注尺寸公差为±0.05mm。
（二）模具结构设计分析
对于薄壁注塑成型模具其高速射出的塑料增加模具损耗，并承受成型时的高压，薄壁成型模具的刚度要大、强度要高。因此模具的动、定模板及其支承板重量较大，厚度通常比传统模具的范本要厚2倍。因此模具要采用较高硬度的工具钢，高磨损、高冲蚀区。硬度应大于HRC55（如H13和D2）。H13钢的屈服强度较NAK55或p20高15%到25%，值得选用。
注射模结构三维图为1模2腔，一次注射生产出前盖及后盖两个零件。分型面选择在塑件边缘部分，材料的收缩率取0.5%。软件对产品进行模流分析，最终确定模具为1模2腔，点进胶，点浇口数量为4个。模架选用CI2535 A=50 B=60 C=80。现对其作简单说明：
(1)零件电器壳体为中小型塑件，且由于必须采用较大的侧向成型结构，故采用1模2腔。
(2)分型面选在最大外形尺寸之处，采用扇形侧浇口由非装配位置进浇。
(3)工作部分采用整体式的型腔和整体型芯镶块，以避免出现拼接痕迹。
(4)由于侧面带有型芯，为确保产品顺利脱模，需采用液压机构和侧抽芯机构成型。侧型芯固定在液压杆上，由液压缸杆起导向作用。
(5)结合顶杆的位置，以顶杆在塑件边缘位置顶出，避免出现顶杆顶出痕迹。
四、流量传感器（材料PC）的塑料注射成型工艺过程
（一）流量传感器聚碳酸酯(PC)树脂——注射成型制品工艺流程
聚碳酸酯制品刚硬而有韧性，有较宽的耐热温度范围，透明度高，而且制品形状尺寸稳定 ， 所以聚碳酸酯是一种综合性能较优良的工程塑料。
（1）聚碳酸酯注射成型制品工艺特点。聚碳酸酯属无定形塑料，其玻璃化温度(150℃)和黏流态温度(220-240℃)均较高，熔体黏度受剪切速率影响小。原料易吸水；在高温下对水很敏感。机筒的加热温度变化对熔体黏度变化明显，温度升高，熔体结度下降，为改善熔体充模效果，只要提高熔体的温度就可得到较好的注 射成型制品质量。
（2）成型设备柱塞式和螺杆式注射机都可用于PC成型，但由于PC的加工温度较高，熔体黏度较大，因此，大多选用螺杆式注射机。注射制品的最大注射量应不大于注射机公称注射量的60%-80%。螺杆通常选用单头全螺纹、等螺距、带有止回环的渐变压缩型螺杆。喷嘴采用普通敞口延伸式。
（3）制品与模具其设计应注意以下几个方面：①制品：壁厚为1.5-5.0mm，一般不低于 1mm，壁厚应均匀；由于PC对缺口较敏感，故制品上应尽量避免锐角、缺口的存在，转角处要用圆弧过渡。②模具：脱模斜度约为1.0°；尽可能少用金属嵌件；主流道、分流道和浇口的断面最好是圆形，长度短、转折少；模具要注意加热和防止局部过热。
（4）原材料准备：PC一般为无色透明的颗粒，加工前必须经过充分的干燥。干燥方法可采用沸腾床干燥(温度 120-130℃，时间1-2h)、真空干燥(温度110℃，真空度96KPa以上，时间10-25h)、热风循环干燥(温度120-130℃，时间6h以上)。为防止干燥后的树脂重新吸湿，应将其置于90℃的保温箱内，随用随取，不宜久存。判断干燥效果的快速检验法，是在注射机上采用 “对空注射”。如果从喷嘴缓慢流出的物料是均匀透明、光亮无银丝和气泡的细条时，则为合格。
（5）聚碳酸酯注射成型制品工艺：①原料塑化注射温度：聚碳酸酯料的塑化注射温度一般控制在250-310℃范围内。对于熔体黏度值较高、制品结构形状复杂或壁厚尺寸较小的制件， 应采用较高的塑化注射温度(280-310℃)；而对于制品结构简单、壁厚尺寸较大的制件， 应采用较低塑化注射温度(250-280℃ )。采用螺杆式注塑机时，塑化注射温度应低于采用柱塞式注塑机时的塑化注射温度。螺杆式注塑机注射成型聚碳酸酯原料，机筒温度各段的控制方 式比较特殊，加料段的温度比较高，一般要在230℃以上，这样可减少原料在螺杆上被推动的阻力。塑化机筒各段温度控制为加料段250-270℃，塑化段270-310℃，均化段270-310℃。喷嘴部位温度应控制在270-310℃之间。②塑料熔体注射压力：聚碳酸酯塑化后熔料黏度较高，其注射压力值在80-150MPa之间。③模具温度：通常，PC的模温为80-120℃。普通制品控制在 80-100℃，而对于形状复杂、薄壁及要求较高的制品，则控制在100-120℃，但不允许超过其热变形温度。④保压压力：保压压力的大小和保压时间的长短也影响制品质量。保压压力过小， 则补缩作用小，制品内部会因收缩而形成气泡，制品表面也会出现凹痕；保压压力过大，在浇口周围易产生较大的内应力。保压时间长，制品尺寸精度高、收缩率低、表面质量良好，但增加了制品中的内应力，延长了成型周期。⑤注射速率。注射速率对制品的性能影响不大。但从成型角度考虑，注射速率不宜太慢，否则进入模腔内的熔体易冷凝而导致充不足，另外，制品表面也易出现波纹、料流痕等缺陷；注射速率也不宜太快，以防裹入空气和出现熔体破裂现象。生产中，一般采用中速或慢速，最好采用多级注射。注射时，速度设定为慢→快→慢，这样可大大提高制品质量。
（6）注意事项在PC成型制品过程中，应注意以下事项：①脱模剂：PC是透明性塑料， 成型时一般不推荐使用脱模剂，以免影响制品透明度。②金属嵌件：PC制品中应尽量避免使用金属嵌件。若确需使用金属嵌件时，则必须先 把金属嵌件预热到200℃左右后，再置入模腔中进行注射成型。③热处理：目的是减小或消除制品的内应力。热处理条件为温度 125-135℃处理时间2h左右，制品越厚，处理时间越长。
（二）PC制品工艺过程
针对流量传感器（材料PC）制件的塑料注射成型加工工艺的应用研究，包括流量传感器壳体用聚碳酸酯(PC)材料性能分析及其注射成型制品工艺参数分析。零件塑料注射成型工艺过程分析，零件制品的试模产品及注射成品。通过注射工艺参数的调整，完成制件的试制。
流量传感器注射成品制件，通过Moldex3D模流分析实验数据的测试，其与实际加工数据基本稳合，生产出合格制品。在以上的PC制件的试模过程中，我们以产品模型实验模流分析注射工艺参数为基本数据进行调试，个别参数进行经验微调，从试件工艺质量上看，Moldex3D模流分析模拟结果完全正确。
本例基于Moldex3D模流分析软件在薄壁壳体塑料制品的模拟检测，运用Mem系列熔融挤压A450快速成型机，对ABS、PC材料薄壁电器壳体的模具先进设计制造方法、塑料注射模拟的全过程及其关键注射参数进行了研究和探索，并最终完成模具设计与制造、试模与修模、产品试制与注射工艺参数调整、批量成型塑料制品的生产，实现了对薄壁壳体件塑料注射成型模具先进制造技术的应用与创新。
从以上分析可看出当今国内外模具行业的发展前景及水平。其中塑料注射成型模具先进设计制造方法、塑料快速成形技术与模流分析及注射工艺分析占有极其重要的位置。因此，本论文紧跟国内外研究现状及发展趋势，结合我国国内模具企业的具体情况，研究出符合国情的塑料注射成型模具先进设计制造工艺流程，为模具行业的发展作出自已的贡献。
参考文献：
[1]王孝培主编，塑料成型工艺及模具简明手册，北京，北京机械工业出版社，2000.
[2]刘国良主编，《简明模具工手册》ISBN978-7-111-42034-7[M].北京：机械工业出版社，2013.
作者简介：
刘国良（1965-），男，北京，北京电子科技职业学院高级工程师，研究方向：模具设计与制造，机械设计工程。
秦涵（1970-）， 男，北京，北京电子科技职业学院高级工程师，研究方向：模具设计与制造，机械设计工程。
