快速成型及快速熔模鑄造技術(shù)

李林鋼 李長(zhǎng)河

(青島理工大學(xué) 快速制造國(guó)家工程研究中心青島示范中心 山東青島 266033)

快速成型技術(shù)是伴隨著20世紀(jì)80年代中期3D Systems公司（Valencia，CA）的 SLA-1發(fā)展起來(lái)的。目前全球有28家制造商提供了總計(jì)超過(guò)56個(gè)不同的快速成型系統(tǒng)，以滿(mǎn)足最終用戶(hù)的多種需求。與常規(guī)制造技術(shù)所涉及從原料、鑄造及模塑過(guò)程的材料去除相反，所有快速成型技術(shù)都是層相加的過(guò)程。通過(guò)把加工固體紙片、液體或粉末原料所形成的零件橫截面的切片材料層堆積在一起從而制造出零件。

快速模具制造技術(shù)使基于原型創(chuàng)作或模具生產(chǎn)具體化，補(bǔ)充了快速成型技術(shù)在大量相似的零件所要求具有的復(fù)雜特征，經(jīng)濟(jì)地利用材料使其接近或與最終生產(chǎn)材料相同和使用常規(guī)的生產(chǎn)工藝時(shí)的不足。對(duì)使用終端產(chǎn)品材料和工藝所生產(chǎn)的原型必須進(jìn)行性能檢測(cè)，這在并行工程環(huán)境中都是常見(jiàn)的。因此，快速模具制造技術(shù)不僅適應(yīng)于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)，也適應(yīng)于生產(chǎn)工藝的制定。

1 采用快速成型及快速模具制造技術(shù)的新研究

1.1 直接制作熔模鑄造模型

快速成型熔模鑄造模型的應(yīng)用源自于這樣一個(gè)事實(shí)，任何可熔化或可燃盡而不毀壞的陶瓷型殼材料的模具都可被應(yīng)用于熔模鑄造。有關(guān)快速成型熔模鑄造模型應(yīng)用的報(bào)道最早出現(xiàn)在1989年，如今，幾乎所有商業(yè)化的快速成型工藝（系統(tǒng)）如選擇性激光燒結(jié)(SLS)、立體光刻（SL）、熔融堆積成形（FDM）、噴墨繪圖(MM II)、三維印刷（3D-P）、復(fù)印固化成形（SGC）、多噴建模（Actua）和疊層實(shí)體制造（LOM）都已應(yīng)用于生產(chǎn)。隨著利益的取得，快速成型及快速模具制造技術(shù)正得到制造廠(chǎng)的普遍歡迎，比如，蒙特利爾的Shell cast鑄造公司。那里的實(shí)體模型鑄造(SMC)工藝已發(fā)展到能直接把快速成型模型轉(zhuǎn)化成鑄件，Cercast小組已在設(shè)計(jì)快速成型模型中，通過(guò)確定關(guān)鍵的臨界參數(shù)，得到了不同的快速成型模型的優(yōu)勢(shì)。Nuclear Metals公司已成功地評(píng)估了適于鑄造鈹鋁合金的不同的快速成型技術(shù)。

采用FDM和MM II系統(tǒng)所生產(chǎn)的蠟?zāi)：苋菀妆昏T造廠(chǎng)所接受。非蠟快速成型模型已確定有兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：首先，薄壁結(jié)構(gòu)將允許采用快速成型模型鑄造；其次，相對(duì)強(qiáng)硬的非蠟?zāi)Ｐ驮试S模型采用精加工來(lái)提高表面質(zhì)量，然后將其轉(zhuǎn)移到鑄件表面上。為了抵消鑄件在冷卻過(guò)程中的收縮，快速成型模型可以按一定比例相應(yīng)地?cái)U(kuò)大。然而，伴隨著非蠟?zāi)Ｐ?，許多有關(guān)陶瓷型殼開(kāi)裂、模型不完全燃燒和殘留的灰燼等新問(wèn)題的出現(xiàn)，快速成型模型中的一些問(wèn)題已經(jīng)引起研究人員的重視，研究表明：采用特殊材料以及新的工藝方法可以解決或消除一些難題。

1.1.1 陶瓷型殼的開(kāi)裂

對(duì)于蠟?zāi)?，常采用高壓蒸汽法以消除模型和澆道，余下的蠟痕在焙燒階段將被汽化掉。對(duì)于非蠟快速成型模型，在脫蠟和燒熔過(guò)程中由于模型膨脹所引起的應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致陶瓷型殼開(kāi)裂。針對(duì)快速成型和型殼材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配展開(kāi)了研究，大多數(shù)的解決方案是基于立體光刻制造的環(huán)氧樹(shù)脂模型。迄今為止得到的最成功的解決方案是使用Quick Cast制作準(zhǔn)空心結(jié)構(gòu)。Quick Cast的概念是基于這樣的事實(shí)，空心結(jié)構(gòu)在較低的溫度下會(huì)軟化，在達(dá)到臨界應(yīng)力之前會(huì)向自身內(nèi)部塌陷。Quick Cast利用大剖面線(xiàn)間距由大量相互連接的正方形或三角形單元的內(nèi)部框架來(lái)支撐起一層薄密的外部型殼，在外表面上設(shè)置了許多小孔，允許內(nèi)部塌陷的樹(shù)脂在零件鑄造后被排出。據(jù)報(bào)道，早期的 Quick Cast模型在解決型殼開(kāi)裂問(wèn)題僅僅部分地獲得了成功，型殼開(kāi)裂問(wèn)題只是在引入Quick Cast2.0后才被徹底地解決了，它提供了一種在蒸汽中可以瓦解的內(nèi)部六角蜂窩狀架構(gòu)。

對(duì)于采用熔融堆積成形制造的塑料（ABS）模型，這種稀疏的（交叉線(xiàn)）構(gòu)建方式被用于創(chuàng)建空心結(jié)構(gòu)。熔融沉積成形制造的空心模型，采用1.5 mm的型殼厚度（恒定的壁厚為0.254 mm）相互連接的四方形單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。ABS塑料模型基于鑄造問(wèn)題、除灰、工藝參數(shù)、耐溫性和熱力學(xué)性質(zhì)的詳細(xì)評(píng)估已經(jīng)完成。這些令人滿(mǎn)意的結(jié)果確定了ABS塑料模型的潛力。然而，為了適應(yīng)ABS塑料模型，必需對(duì)一些熔模鑄造工藝進(jìn)行修改。

對(duì)于粉基快速成型技術(shù)（如SLS和3D-P），由于材料的塌陷，要制造空心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不可能的。不過(guò)，為了優(yōu)化燒熔的零件，脫殼技術(shù)可以用于制造模型的外殼，高孔隙率的夾帶粉劑阻止了模型的過(guò)度膨脹和型殼開(kāi)裂。適用于SLS的幾種建模材料，即蠟和聚碳酸酯已經(jīng)被引入到熔模鑄造中。然而，這些材料建造的模型常常受到畸變、表面粗糙度和型殼開(kāi)裂等困擾，這是由于聚碳酸酯零件在蒸汽過(guò)程中起泡引起的。Cast Form PS（一種聚苯乙烯基粉劑）是由3D Systems公司提供的用于建造熔模鑄造模型的一種最新的材料。Cast Form PS模型有類(lèi)似于蠟的特性并能用最小的修改，適用于標(biāo)準(zhǔn)鑄造生產(chǎn)。Cast Form PS所必需的后處理包括在蠟液中浸泡以密封其表面的孔隙和提高模型強(qiáng)度。

LOM紙模型也已被應(yīng)用于熔模鑄造中。已完成的LOM模型需要涂一層密封膠以防止由于吸濕性引起的分層和膨脹。LOM模型具有低熱膨脹系數(shù)且廉價(jià)。

1.1.2 模型質(zhì)量

許多不同的快速成型模型都很好地落在可接受的誤差范圍內(nèi)（±0.05～±0.254 mm），并且大多數(shù)都滿(mǎn)足熔模鑄造所需的表面質(zhì)量（Ra為16～20 μm）。在熔模鑄造中，模具與鑄件的表面質(zhì)量直接相關(guān)，未經(jīng)處理的快速成型模型的相對(duì)粗糙的表面是由于分層、建造方法（激光掃描、噴霧等）及原材料造成的臺(tái)階效應(yīng)引起的。表面多孔的模型（SLS、3D-P、FDM）需要應(yīng)用密封劑（如蠟）來(lái)防止在型殼制造過(guò)程中懸浮漿的滲透。對(duì)大多數(shù)快速成型模型，可以用拋光來(lái)改善表面質(zhì)量。ABS模型的表面可以在拋光后用蠟密封或涂一層甲基丙烯酸甲酯（MMA）薄膜來(lái)改善，對(duì)精磨后MMA模型進(jìn)行測(cè)量得出表面粗糙度Ra在1～2 μm。同樣地，涂滿(mǎn)環(huán)氧基樹(shù)脂的SLS零件在拋光后所得到的屈服面粗糙度Ra小于1 μm。對(duì)于Actua模型可以涂一層光亮的液態(tài)石蠟涂層然后拋光屈服，從而提高表面粗糙度，Ra達(dá)到0.8 μm。其他快速成型模型的表面（如LOM紙模型）也可以用精細(xì)砂紙拋光得到改善。

1.1.3 燃燒性能

非蠟快速成型模型由于不完全的模型脫蠟或殘留灰燼可能導(dǎo)致鑄造缺陷。殘留的灰燼通常是用水或壓縮空氣沖洗冷卻的型殼來(lái)清除，然而，灰燼深陷在凹槽或密封腔內(nèi)就會(huì)變得很難或不可能清除。Quick Cast和稀疏的建模方式的使用將會(huì)顯著地減少殘留灰塵的含量，因?yàn)樗麄兿藘?nèi)部大約為60%～95%的環(huán)氧基樹(shù)脂（SL）和ABS（FDM）零件，致使少量的殘留灰燼含量在 0 .02%～0.05%之間。對(duì)于具有密實(shí)結(jié)構(gòu)的模型（如 LOM），通常需要更長(zhǎng)的燒除時(shí)間，大量材料被燒除將導(dǎo)致更高的殘留灰燼的含量。

1.2 蠟注塑模具的制造

模具制造可以遵循兩種方法，即直接和間接的快速模具制造。使用直接的方法，模具可以直接通過(guò)RP系統(tǒng)來(lái)制造而無(wú)需中間步驟，完整的模具還需要后處理來(lái)提高強(qiáng)度、表面拋光度和精確度。利用直接的方法制造得金屬或塑料模具通?？梢宰鳛槊浇橛糜诖笈康纳a(chǎn)。使用間接的方法，快速成型制造技術(shù)被用來(lái)創(chuàng)造所必需的模具。間接方法所使用的材料包括聚合物或金屬?gòu)?fù)合材料、高分子材料和硅橡膠。因此，間接的方法將導(dǎo)致模具機(jī)械性較弱且主要適合小批量生產(chǎn)。

1.2.1 直接快速模具制造方法

直接金屬模具制造。直接金屬模具生產(chǎn)是RP中的一個(gè)全新的領(lǐng)域，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。迄今為止，已有超過(guò)6個(gè)商品化的系統(tǒng)是可供用于金屬模具的生產(chǎn)。盡管開(kāi)拓性的工藝諸如Rapid Tool（3D Systems公司）和直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)(EOS GmbH，Munich)，專(zhuān)供生產(chǎn)原型模具使用，但是后續(xù)的研究已經(jīng)提高了Rapid Tool或DMLS模具的性能，因此縮小了快速模具和常規(guī)硬模之間的性能差距。直接金屬模具工藝已經(jīng)顯著地影響了生產(chǎn)原型或模具所需的成本和生產(chǎn)周期?？焖俪尚湍＞咧圃煸试S隨形冷卻水道的合并，可以減少注射循環(huán)周期，因此直接影響零件的成本和生產(chǎn)率。盡管由于孔隙率（5%～10%）快速成型模具機(jī)械性能弱于常規(guī)模具，但當(dāng)用于蠟注射模塑時(shí)它們的性能有望優(yōu)于常規(guī)模具。不很激烈的蠟注射工藝涉及溫度和壓力大約為55～60℃和1～3 MPa，與之相對(duì)在允許的模具壽命內(nèi)塑膠注射可達(dá)200℃和100 MPa。

1)金屬激光燒結(jié)（LS）

對(duì)于Rapid Tool，激光燒結(jié)是在涂有一薄層聚合物粘合劑材料的鋼基粉劑中進(jìn)行。這種預(yù)熱的粘合劑熔體受到二氧化碳激光的照射致使粉劑凝固形成所需零件。將已完成的未處理的零件放入熔爐內(nèi)焙燒來(lái)脫脂和燒結(jié)。燒結(jié)后的零件通過(guò)毛細(xì)作用進(jìn)行青銅熔滲得到了強(qiáng)化且變得更加致密。為了提高零件質(zhì)量，可進(jìn)行精加工操作，Laser Form ST-100（420無(wú)斑點(diǎn)鋼基粉劑）是最新的模具材料系統(tǒng)，可供替代Rapid Steel 2.0和Copper Polyamide粉劑。據(jù)報(bào)道，Laser Form ST-100模具經(jīng)過(guò)激光燒結(jié)后可充分致密，表面粗糙度Ra可達(dá)5 μm。Rapid Tool模具已被成功用于塑料和蠟注射模塑，復(fù)雜的模具可在兩周內(nèi)生產(chǎn)出而且壽命可達(dá)5萬(wàn)至10萬(wàn)件。

另一成熟的激光燒結(jié)工藝是快速制模。快速制模類(lèi)似于Rapid Tool且使用相同的粉劑原料。然而，與Rapid Tool不同，快速制模利用環(huán)氧基樹(shù)脂熔滲代替青銅熔滲。盡管快速制模生產(chǎn)比Rapid Tool成本更低且速度更快，但是快速制模需要較長(zhǎng)的注射周期且較為脆弱，這是由于使用簡(jiǎn)單的干燥箱來(lái)進(jìn)行脫脂和燒結(jié)而引起環(huán)氧基樹(shù)脂熔滲和金屬氧化造成的。

2)金屬三維打印

金屬三維打印組件是由Sachs等人倡導(dǎo)的。這種Pro Metal工藝（Extrude Hone公司，巴拿馬）是基于三維打印靠一個(gè)靜電噴頭在連續(xù)的鋼基粉劑薄層上，有選擇地堆積微小的粘合劑液滴而形成所需實(shí)體。將這種多空的未處理的零件放入熔爐內(nèi)焙燒進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，由此產(chǎn)生的鋼骨架，通過(guò)青銅熔滲可完全致密。這種簡(jiǎn)易的噴墨打印結(jié)果獲得了相對(duì)快速的制造周期和廣泛的金屬適應(yīng)性（包括工具鋼）。盡管?chē)娔蛴≈挥小?.025 mm的精確度，但后處理可使零件精確度達(dá)到±0.1 mm。

3)激光生成法（LG）

激光生成法基于激光熔覆技術(shù)最初被開(kāi)發(fā)用作表面處理工藝。激光生成法通過(guò)向大功率Nd:YAG激光焦點(diǎn)區(qū)域的金屬熔池中注射金屬粉劑流來(lái)生產(chǎn)金屬零件。激光掃描后熔融金屬凝固形成完全致密結(jié)構(gòu)而不需要二次后處理，未經(jīng)處理的制件精確度和表面粗糙度分別約為0.13 mm和Ra為12 μm。使用惰性氣體環(huán)境和粉劑傳送系統(tǒng)防止形成氧化物。多種金屬包括工具鋼和鎳基高溫合金均可用于激光生成法。然而，激光生成法由于缺乏支撐系統(tǒng)只適合于低幾何復(fù)雜度的零件（具有簡(jiǎn)潔的特征）。商業(yè)化的激光生成法工藝包括激光工程近凈成形（LENS）工藝，LENS生產(chǎn)的模具能夠生產(chǎn)10萬(wàn)件以上的注塑模組件。以激光生成法為基礎(chǔ)的成熟工藝(包括形狀沉積成型(SDM)、直接金屬沉積(DMD)、精密光學(xué)制造業(yè)（POM），Michigan)，可以直接激光制造和受控金屬積聚(CMB)。SDM 和CMB都是采用銑刀來(lái)塑造每一個(gè)堆積層并確保連續(xù)層堆積物的平面度。另外，在零件制造過(guò)程中，SDM 采用了犧牲層的材料支撐系統(tǒng)來(lái)穩(wěn)固零件；CMB模具表面粗糙度Rz在3～5 μm之間，能夠生產(chǎn)超過(guò)20萬(wàn)件注塑模組件。

4)直接型殼生產(chǎn)鑄造(DSPC)

DSPC利用三維打印技術(shù)制造陶瓷型殼。在DSPC中，氧化鋁粉通過(guò)硅膠粘合劑噴霧結(jié)合在一起，完整的型殼在鑄造前先要進(jìn)行焙燒，典型的成型精度為±0.02 mm。DSPC允許廣泛的可選金屬中生產(chǎn)的小批功能齊全的鑄件進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換。Sachs等人利用三維打印成功獲得了陶瓷型殼，這些陶瓷型殼可用于鑄造1 660℃鎳高溫合金，在焙燒過(guò)程中型殼收縮量最小。

5)直接陶瓷燒結(jié)

通過(guò)EOSINT M 160 RP系統(tǒng)中的直接燒結(jié)硅酸鋯粉末，F(xiàn)raunhofer-IPT研究所正在開(kāi)發(fā)直接陶瓷型殼生產(chǎn)工藝。這種工藝有選擇地熔化陶瓷粉末層從而形成型殼，將已完成的型殼清洗和預(yù)加熱后可以直接用于鑄造，其表面質(zhì)量Rz可達(dá)30～50 μm且具有良好的精度。分析后顯示，鑄件的生產(chǎn)周期比常規(guī)熔模鑄造方法減少95%。

1.2.2 間接快速模具制造方法

所有的間接快速模具制造方法，起始于鑄件的快速成型制造，用原型來(lái)鑄造所需的模具，因此，模具的質(zhì)量在很大程度上取決于快速成型模型的質(zhì)量。鑒于常規(guī)模具所需要考慮的因素，如在快速成型模型的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，通過(guò)注射蠟收縮和鑄造進(jìn)行補(bǔ)償?shù)龋@些補(bǔ)償因素有時(shí)被轉(zhuǎn)移到了模具中。

1)硅橡膠模具

在這個(gè)工藝中，將已脫泡的液化硅膠和硬化劑的混合物澆注到型框內(nèi)進(jìn)行快速成型原型，通過(guò)在液態(tài)硅膠中插入ABS、有機(jī)玻璃棒或切斷已固化的硅膠區(qū)通道，將分流道和澆口通道合成一體。固化后，移除棒條形成通道，隨后沿分型面用刀剖開(kāi)摸取出原型，從而形成了模具型腔。硅橡膠模具允許采用多模快速生產(chǎn)，得到零件良好的表面質(zhì)量。這一工藝已被成功地用于塑造蠟型，典型的硅膠模具能生產(chǎn) 100～300個(gè)模型。英國(guó) IMI Rapid Prototyping用單一的硅膠模具已成功地生產(chǎn)出1000個(gè)蠟型。使用由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的 Rapid Freezing工藝生產(chǎn)的冰雕，作為模型來(lái)鑄造蠟?zāi)Ｉa(chǎn)的硅膠模具，以此證明冰雕也可用于熔模鑄造模型且具有易熔化、零殘灰含量少、易移除等優(yōu)點(diǎn)。

2)環(huán)氧樹(shù)脂模具

制造環(huán)氧樹(shù)脂模具先要將快速成型原型嵌入到耐火泥中預(yù)定出分型面，分流道和澆口通道是由附在原型上的ABS棒形成。裝配前需進(jìn)行噴涂脫模劑，把液體樹(shù)脂或樹(shù)脂/鋁粉混合物澆注到原型周?chē)?，待固化后，把原型從硬化的一半模具中分離出來(lái)，清洗干凈并重新噴涂脫模劑以準(zhǔn)備澆注另一半模具（模具中的定位和鎖定裝置所形成的小孔都在現(xiàn)存的一半模具表面上被磨去了，否則將在另一半模具澆注過(guò)程中由于樹(shù)脂占據(jù)這些小孔的空間而形成相應(yīng)的釘狀物），用現(xiàn)存的一半模具代替原型按照同樣過(guò)程進(jìn)行另一半模具的澆注。在澆注過(guò)程中兩個(gè)半模間會(huì)形成殘余應(yīng)力，因此在兩個(gè)半模被分離之前，需要對(duì)模組進(jìn)行熱處理。

環(huán)氧樹(shù)脂模具已被成功地應(yīng)用于塑料和蠟注射模塑，金屬填充環(huán)氧樹(shù)脂模具材料的使用改善了模具的耐久性和熱傳遞特性。在澆注過(guò)程中，把銅線(xiàn)圈嵌入到樹(shù)脂中可以增加額外的冷卻通道。商業(yè)化時(shí)在可用的模具樹(shù)脂包括EP250模具樹(shù)脂(MCP，HEK-GmbH，Germany)和 Poly Steel(Dynamic Tooling，CA)中分別加入鋁和鋼填料。Poly Steel模具大大強(qiáng)于鋁樹(shù)脂模具且重量約為鋼結(jié)構(gòu)的 9 0%，尺寸收縮率達(dá)到 0 .02%，環(huán)氧樹(shù)脂模具的表面粗糙度取決于快速成型原型的質(zhì)量。Poly Steel模具已被成功地用于蠟注射模塑，由Poly Steel鑄造的模具能生產(chǎn)50萬(wàn)～100萬(wàn)件塑料注射部件。

Eco Tool是由丹麥技術(shù)協(xié)會(huì)(DTI)和荷蘭應(yīng)用科學(xué)工業(yè)技術(shù)研究協(xié)會(huì)共同開(kāi)發(fā)的一種工藝，利用工具鋼粉/粘合劑系統(tǒng)制造注射模塑所需的鑄造模具。Eco Tool與金屬填充環(huán)氧樹(shù)脂模具間的不同在于結(jié)合了燒結(jié)和銅基合金熔滲爐循環(huán)，依靠金屬粉末和粘合劑系統(tǒng)。當(dāng)在爐中進(jìn)行循環(huán)加熱之后，Eco Tool零件的整體收縮率大約在0.1%～0.3%。

3)金屬?lài)娡磕＞?/p>

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)噴涂金屬模具，用電弧形噴涂工藝把熔融的金屬微小液滴（如錫-鋅或鋼）噴涂在原型上，這一薄層噴覆在金屬型殼的模具表面，增加了型殼的強(qiáng)度。利用純環(huán)氧樹(shù)脂、金屬填充環(huán)氧樹(shù)脂或低熔點(diǎn)的填充材料把固體背襯澆注到型殼周?chē)?，隨著填充料的正確選擇和冷卻通道的建立，噴涂金屬模具顯示了良好的注射周期。采用這種方法，能夠滿(mǎn)足大模具獲得低成本和高精度的要求，這具有收縮小和較長(zhǎng)的使用壽命，大約可以進(jìn)行1～10萬(wàn)次的注射。先進(jìn)的噴涂金屬模具工藝包括Ford’s Spray Form和Idaho國(guó)家工程與環(huán)境研究室(INEEL)的快速凝固工藝(RSP)模具。

4)鑄造金屬模具

快速成型模具原型被用于熔模鑄造鋁或鋼成品模具，不可重復(fù)使用。與其他間接快速模具制造工藝相比，主要缺點(diǎn)是產(chǎn)生相對(duì)較長(zhǎng)的制造周期和較低的精度，這是由于熔模的步驟所引起的。然而，鑄造金屬模具臨界特征的緊公差可以通過(guò)二次機(jī)加工或局部鑲件使其滿(mǎn)足所需要的規(guī)格。依據(jù)所用金屬，鑄造金屬模具據(jù)估計(jì)能生產(chǎn)幾千到 2 0萬(wàn)件以上的塑料組件。Leyshon Miller公司已經(jīng)利用FDM所制造的蠟?zāi)３晒Φ厣a(chǎn)出熔模鑄造鋁模鑲件。應(yīng)用以上工藝，該公司生產(chǎn)的中等尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具周期為1－2周。

5)3D Keltool模

3D Keltool工藝（3D Systems公司）起始于用硅橡膠模具制造的快速成型原型的復(fù)制。硅膠模具被用于澆鑄所需的工具鋼粉和粘合劑混合物制成的模具鑲件，將已固化未處理的零件放入熔爐焙燒以脫脂和將鋼粉燒結(jié)，將燒結(jié)后的零件進(jìn)行銅滲處理，制成完全致密的結(jié)構(gòu)，其成分為70%鋼和30%銅。3D Keltool模具鑲件受小產(chǎn)品尺寸所限，在塑料注射模塑中，估計(jì)壽命高于100萬(wàn)次。

2 采用快速成型及快速模具制造技術(shù)的工藝改進(jìn)

大多數(shù)所述的快速制模（RP&T）技術(shù)仍在發(fā)展中或者僅僅是最近才被用于商業(yè)化。因此，使用任何技術(shù)成功制造出模具都必需大量地依靠流程培訓(xùn)、經(jīng)驗(yàn)的積累以及模具制造者對(duì)這一技術(shù)的局限性和臨界參數(shù)的理解與熟知，在大多數(shù)情況下，這一技術(shù)必須經(jīng)過(guò)深層次的驗(yàn)證。盡管通過(guò)RP&T技術(shù)能夠獲得巨大的效益，但是快速模具在質(zhì)量和性能方面仍落后于常規(guī)模具，對(duì)有關(guān)尺寸精度、表面質(zhì)量和零件耐用性等問(wèn)題仍需要作深一步地處理和改進(jìn)。

2.1 尺寸精度

由于快速成型技術(shù)需要依靠輸入CAD數(shù)據(jù)，數(shù)字的精確度將直接影響制造的結(jié)果。要制作精確的原型和模具，需要考慮收縮補(bǔ)償因素、后續(xù)機(jī)械加工余量及鑄造要求等條件，在工藝中必須要體現(xiàn)。除了人為因素外，在產(chǎn)品所需設(shè)計(jì)的精確數(shù)字表征和原CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RP系統(tǒng)可接受的數(shù)據(jù)（即STL格式）時(shí)，應(yīng)用CAD系統(tǒng)有時(shí)會(huì)成為限制因素。在STL格式中，模型幾何體表面由三角形陣列（細(xì)分曲面）進(jìn)行近似逼近處理而形成，其大?。ㄏ议L(zhǎng)參數(shù)化）由用戶(hù)決定。弦長(zhǎng)的設(shè)定通常要使文件的大小或所必需的大量計(jì)算機(jī)資源和轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的最終精度之間相協(xié)調(diào)。此外，STL文件容易出現(xiàn)遺失或反轉(zhuǎn)曲面等問(wèn)題，許多研究解決了與STL文件修復(fù)和數(shù)據(jù)接口有關(guān)的問(wèn)題。用來(lái)替代STL的可選數(shù)據(jù)格式，繞開(kāi)了細(xì)分曲面工藝，通過(guò) CAD模型直接切片來(lái)提高數(shù)據(jù)精度。

2.2 快速成型直接熔模鑄造模型制造

對(duì)于快速成型制造的熔模鑄造模型，粉基模型的表面粗糙度和殘留灰燼的含量都需要進(jìn)一步改進(jìn)。一種解決方案或許可以使用更精細(xì)的粉末，這將有助于更薄的層堆積從而提高表面質(zhì)量和減小臺(tái)階效應(yīng)。然而，必須協(xié)調(diào)好制造周期和零件質(zhì)量間的關(guān)系，做到既不能使粉末堆積工藝復(fù)雜化也不能延長(zhǎng)制作周期。另外，浸漬劑可用于提高粉基模型的性能。對(duì)于來(lái)自于液基和固基原材料生產(chǎn)的模型，新的制造模式（Quick Cast和稀疏矩陣制造）和制造材料（蠟和熱塑性塑料）的引進(jìn)已經(jīng)使鑄造成功率達(dá)到100%。

2.3 金屬模具制造的直接快速制模法

絕大多數(shù)可用于制造金屬模具的RP&T工藝都需要外加后處理階段（脫脂、燒結(jié)和熔滲）以使金屬模具達(dá)到完全致密。要制造精密的金屬鑄件，需要精整的加工工藝（機(jī)加工和拋光階段）使模具符合技術(shù)要求。精整加工階段對(duì)模具最終精確度和質(zhì)量效果顯著，因此，需要作一些規(guī)劃才能獲得最佳效果，所有添加工藝都會(huì)增加模具制造所需的制作周期。然而，在激光生成法（LG）和直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）技術(shù)上，由于持續(xù)地改進(jìn)以及引進(jìn)低收縮的粉末產(chǎn)品，將會(huì)制造無(wú)需后處理而完全致密的金屬模具。

2.4 非金屬模具制造的間接快速制模法

由間接快速制模工藝生產(chǎn)的非金屬模具比快速成型金屬模具制造更快、更廉價(jià)。這種間接的制造方法通常比直接的方法簡(jiǎn)單且沒(méi)有那么嚴(yán)格，因此，間接快速模具法能夠很容易地被接受。然而，非金屬模具由于其高隔熱性具有比較長(zhǎng)的注塑周期，其模具性能也比較差。

3 結(jié)語(yǔ)

各種商業(yè)化的RP&T技術(shù)以及研究與開(kāi)發(fā)，將直接有益于熔模鑄造工藝的改進(jìn)。從制造業(yè)前景來(lái)看，RP、RT和IC都是非常先進(jìn)的制造工藝，在現(xiàn)在消費(fèi)市場(chǎng)中，這些工藝都能給生產(chǎn)制造商帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。盡管RP&T技術(shù)是伴隨著替代常規(guī)制造技術(shù)的愿望而被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但是在實(shí)現(xiàn)這樣的愿望之前，必須要進(jìn)一步提高現(xiàn)有的技術(shù)。上述討論中明顯告知，每一種RP&T工藝各自都具有一系列的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，再加上大部分所述的技術(shù)都尚處于初級(jí)階段，且根據(jù)制造單個(gè)成品金屬鑄件所需的成本和制造周期，也沒(méi)有明顯的證據(jù)證明RP&T技術(shù)是最有效益的。因此，用戶(hù)應(yīng)該在選定工藝之前正確評(píng)估自己的要求與使用各種方法的能力。