快速成形技術在金屬模具制造中的應用

【摘 要】十幾年來，隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈。尤其是計算機技術的迅速普遍和CAD/CAM技術的廣泛應用，使得RP技術得到了異乎尋常的高速發(fā)展，表現(xiàn)出很強的生命力和廣闊的應用前景。快速成形技術發(fā)展至今，以其技術的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發(fā)展。本文介紹了RP技術在金屬模具制造中的應用。

【關鍵詞】快速成形；金屬模具；應用

目前，我國金屬工業(yè)正處在迅猛發(fā)展的時期，大學金屬模具的快速、低成本制造時決定金屬制造業(yè)取得競爭成功的關鍵因素之一。快速成形技術（Rapid Prototyping）是20世紀80年代發(fā)展起來的一種集計算機輔助設計、精密機械、數(shù)控、激光技術和材料科學為一體的全新制造技術。由于其高度柔性和快速性，得到了廣泛的研究和應用。以快速成形為技術支撐的快速金屬模具制造作為縮短產(chǎn)品開發(fā)時間及模具制作周期的先進制造技術已成為當前的重要研究課題和制造業(yè)核心技術之一。

1.RP技術

快速成形技術又稱快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM）技術，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術，被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數(shù)控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。即，快速成形技術就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，其中主要工藝有四種基本類型：光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結法和熔融沉積制造法。

快速成形技術具有以下特點：（1）制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用；（2）原型的復制性、互換性高；（3）制造工藝與制造原型的幾何形狀無關，在加工復雜曲面時更顯優(yōu)越；（4）加工周期短，成本低，成本與產(chǎn)品復雜程度無關，一般制造費用降低50%，加工周期節(jié)約70%以上；（5）高度技術集成，可實現(xiàn)了設計制造一體化。

2.RP技術在金屬模具制造中的應用

基于RP 技術的金屬模具制造技術的實質是用先進的精密熱加工代替冷加工，大型快速原型制造系統(tǒng)本身也是一種復雜的NC加工設備， 它的出現(xiàn)大大改變了模具制造的現(xiàn)狀。該技術將NC加工技術從冷加工轉移到熱加工，以獲得精密的“毛坯”即模具。先進制造技術發(fā)展的事實證明精密熱加工使得“毛坯”精化，甚至制造出精密的零件，從而減少了對冷加工的技術要求，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。

RP技術是先進制造技術的重要組成部分，是綜合了計算機、數(shù)控、激光、新材料和CAD CAM等新技術而形成的一種基于離散堆積成形原理的直接從CAD三維模型設計到實際原型？觟零件加工的全新制造方法，是當代制造領域的前沿技術。RP技術的基本原理是離散？觟堆積成形原理，三維形體在離散過程中被沿1至3個方向分解，生成形體的各個截面、截線和截點，稱之為離散面、離散線和離散點，將這些離散體（面、線和點） 轉換成實體，并將它們依照原先的順序堆積還原成三維形體的實體形狀。RP技術的特點是通過離散獲得材料堆積的路徑、順序和方式，在數(shù)控系統(tǒng)控制下將材料逐層“迭加”起來形成三維實體，實現(xiàn)數(shù)字化成形， 三維CAD電子模型被沿Z向離散，生成一系列二維層面數(shù)據(jù)，再將分層后的數(shù)據(jù)進行處理，加入加工參數(shù)，生成數(shù)控代碼，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式順序加工出每個層片并使它們堆積、粘接成形，構成三維物理實體。

3.具體方法研究

基于RP的快速金屬模具制造技術分為間接方法和直接方法。金屬模具間接快速制造目前主要有鑄造、粉末燒結、電鑄、熔射等方法。國內外在此方面已有許多研究及應用事例。直接快速制造金屬模具方法在縮短制模周期、發(fā)揮材料性能、降低成本方面極具潛力，因而受到高度關注，其目標是直接快速制造耐久、尺寸及表面精度高、可用于工業(yè)化批量生產(chǎn)的金屬模具，如SLS等方法。

3.1鑄造制模法

鑄造法最早實現(xiàn)與RP技術相結合，其中有代表性的是美國3D Systems公司的Quick Casting工藝，特點是采用SLA原型代替蠟模實現(xiàn)精密鑄造。類似的還有采用FDM制造蠟模等。從理論上講鑄造法可以制造注塑模、沖壓模、鍛造模、壓鑄模等，但在大尺寸模具和簡單形狀模具制造方面不優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且因鑄造法本身的表面和尺寸精度不高，仍難以制造注塑模和壓鑄模等表面和尺寸精度要求高的金屬模具。

3.2粉末燒結法

3D Systems公司的Keltool工藝是在原型或硅膠模內注入金屬粉末與結合劑的混合物，待其固化后脫模，經(jīng)燒結、浸滲樹脂或銅、錫等工序后獲得模具。其優(yōu)點類似粉末冶金法，使用材料限制少。不足之處是復制、燒結、浸滲等工序多，致使制模時間和成本的增加。采取添加微細球狀粉末等措施，已使尺寸精度控制在0.3%以下。

東京大學中川威雄研究室開發(fā)的粉末注入Power Casting方法與前者的區(qū)別是，先將粉末注入硅膠模內，然后注入結合劑。經(jīng)加壓、燒結、滲銅等工序后得到不銹鋼模具。該方法精度高于前者，但工藝繁雜，不適于制造大尺寸模具。

3.3 SLS方法

SLS的工藝大致是，用激光對基底上所鋪的薄層粉末有選擇地燒結，然后將新一層粉末鋪在其上，進行下一層燒結。反復進行逐層燒結和層間燒結，最終將未被燒結的支撐部分去除就得到與CAD形體相對應的三維實體。由于得到的只是低密度的成形體，要提高密度需要燒結、浸滲等后處理工序，這就增加了制模時間和成本，同時因熱變形易造成翹曲。目前該方法的制模精度大為改善，收縮率已由原來的1%降至0.2%以下。

4.總結

在我國已經(jīng)在很多城市建立一批向企業(yè)提供快速成形技術的服務機構，并開始起到了積極的作用，推動了快速成形技術在我國的廣泛應用，使我國RP 技術的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場化的軌道。在知識產(chǎn)權壁壘森嚴的今天，核心技術一旦落后將極大增加趕超世界先進水平的難度。因此在開展快速成形技術研究，趕超該領域世界先進水平的同時，開發(fā)具有原創(chuàng)性的短流程高精度快速制模的新材料和新工藝，形成具有我國自主知識產(chǎn)權的RP核心技術尤為重要。開發(fā)短流程、高精度、低成本的大中型耐久金屬模具的制造新工藝和材料是增強間接制模競爭力的關鍵；低成本的層積和表面光整技術的集成是提高直接法的尺寸及表面精度、材料適應性、實用性的有效方法。

【參考文獻】

[1]Zhang Renji.Xu Da；Yan Yongnian Forming boundary model for rapid prototyping Manufacturing.1998.

[2]模具制造手冊.編寫組模具制造手冊，1996.

[3]Xu Da.Liu Yuan；Zhang Renji Study on unbaked ceramic mold casting processes based on rapid prototyping technology 1998

[4]王峰.基于并行控制原理與技術的大型快速成形系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[學位論文].1999.