淺論快速模具制造技術(shù)分析與發(fā)展趨勢

陶華偉

【摘 要】速成型與制造技術(shù)（rapid prototyping and manufacturing，RP&M;）可以從CAD模型驅(qū)動直接得到實體模型或模具，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低制造成本，成為支持快速市場響應(yīng)的必要工具之一。本文主要介紹了快速模具制造技術(shù)的概況以及我國目前快速模具制造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】模具制造；快速成型；技術(shù)分析；發(fā)展趨勢

1.快速模具制造技術(shù)概述

速成型與制造技術(shù)（rapidprototypingandmanufacturing，RP&M;）是一種可以從CAD模型驅(qū)動直接得到實體模型或模具的全新技術(shù)，不需傳統(tǒng)加工工具和模具，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低制造成本，成為支持快速市場響應(yīng)的必要工具之一，近年來獲得廣泛的應(yīng)用。眾多的國內(nèi)外企業(yè)都在積極應(yīng)用RP&M;技術(shù)加快產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)進步，在產(chǎn)品的設(shè)計檢驗、外觀評審、裝配實驗、動態(tài)分析、應(yīng)力分析、風(fēng)洞實驗和快速模具中都取得了成功。

2.快速模具技術(shù)分類與應(yīng)用

根據(jù)快速模具是否由快速成型機直接制造，快速模具又可分為直接制造和間接制造兩類，其應(yīng)用工藝各有各的特點，具體分析如下：

2.1快速模具直接制造

快速模具直接制造是由CAD模型驅(qū)動直接由快速成型機分層堆積形成所需要的模具。由于工藝流程短，模具成型更加快捷，工藝過程更易控制，直接制造金屬模具成為最被看好的先進技術(shù)，是快速模具制造技術(shù)所追求的目標(biāo)。

2.1.1激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)

快速模具直接制造最成功的快速成型工藝是激光選區(qū)燒結(jié)（selectivelasersintering，SLS）。工藝過程為：高能量激光選擇性地將粉末燒結(jié)為層片，逐層燒結(jié)后，將未燒結(jié)的松散粉末除去，然后經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)及滲銅后即可作為模具使用。該方法在小型注射模和吹塑模上已得到成功應(yīng)用。直接金屬激光燒結(jié)（directmetallasersintering，DMLS）工藝是德國EOS公司基于SLS工藝開發(fā)的一種新型模具直接制造技術(shù)，不用中間粘結(jié)劑而直接燒結(jié)金屬粉末，所制造出的模具密度接近純金屬。DMLS模具不必再進行后期的高溫?zé)Y(jié)和滲銅，但需在表面滲入一層高溫環(huán)氧樹脂，目前模具的精度能達到0.05mm，用于注射模能注射出高達1.5萬件的塑件，用于壓鑄模可以鑄造幾百件金屬零件。

2.1.2激光粉末熔覆近凈成型技術(shù)

激光粉末熔覆近凈成型（laserengineerednetshaping，LENS）是一種基于激光熔覆技術(shù)的快速金屬零件和模具制造工藝，成型零件組織致密，具有明顯的快速熔凝特征，力學(xué)性能高，并可實現(xiàn)非均質(zhì)和梯度材料零件和模具的制造。不過，由于熱應(yīng)力的影響和缺乏支撐材料，制造的模具在表面粗糙度值和尺寸精度方面尚不能滿足大部分模具的要求，限制了LENS工藝在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1.3薄層物體疊加技術(shù)

薄層物體疊加（laminatedobjectmanufacturing，LOM）工藝是用加熱輥和激光束對背面涂有熱熔膠的薄片材料（紙、塑料、金屬等）進行逐層粘結(jié)和切割，以形成模具的各層截面輪廓，最終制成模具。由于金屬片的粘結(jié)溫度和環(huán)境溫度難以協(xié)調(diào)和控制，金屬片經(jīng)過加熱、粘結(jié)和冷卻很容易發(fā)生扭曲，模具成型質(zhì)量不是很高。

2.1.4三維打印技術(shù)

三維打?。?Dprinting，3DP）工藝?yán)谜辰Y(jié)劑噴頭有選擇地噴涂粘結(jié)劑，使金屬粉末如不銹鋼、碳化鎢等粘結(jié)成截面輪廓，一層層粘結(jié)形成三維形狀，這種低密度的成形件在經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)和滲銅處理，便可得到致密度達到92%以上的金屬實體，對其表面進行拋光打磨處理后就可作模具使用。

快速模具直接制造的工藝還有激光選區(qū)熔化（selectivelasermelting，SLM）、電子束選區(qū)熔化（electronbeammelting，EBM）、電子束自由制造（electronbeamfreeformfabrication，EBF）等，這些工藝都是利用高能量使粉末材料選擇性熔化而形成金屬零件的。CarnegieMellon和Stanford大學(xué)開發(fā)的形狀沉積制造（shapedepositionmanufacturing，SDM）快速成型工藝，結(jié)合了材料增長和材料去除2種成型方法。首先微滴金屬液根據(jù)CAD模型的二維層片信息沉積為實體層片，然后通過數(shù)控加工形成精確尺寸和形狀的層片，每一層的制作過程都是一個結(jié)合微型鑄造和數(shù)控加工的工藝，在快速制造大型模具方面有很廣闊的發(fā)展前景。

2.2快速模具間接制造

快速模具間接制造就是以快速原型作為母模，然后轉(zhuǎn)用其他工藝在快速原型的基礎(chǔ)上復(fù)制出所要求的模具。實際上該工藝的實踐基礎(chǔ)在模具行業(yè)中早就存在，即以母?；蛘邩蛹ㄟ^各種方法如鑄造、噴涂和電鑄等制造相應(yīng)的模具，因此技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用都很實用。盡管直接快速制模法的工序少，但是模具精度和性能很難滿足要求，而間接制造方法是快速原型和傳統(tǒng)成型工藝的結(jié)合，可以根據(jù)模具的應(yīng)用要求選擇不同復(fù)雜程度和成本的配合工藝，模具的精度、表面質(zhì)量、材質(zhì)要求和力學(xué)性能等更接近實際應(yīng)用情況，因此目前工業(yè)界多使用快速模具間接制造方法。

2.2.1粉末成型法

粉末成型法中最具代表性的是美國3DSystems公司開發(fā)的3DKeltool工藝。這種工藝是SLA法快速成型技術(shù)、硅橡膠模、粉末成型和金屬浸滲的結(jié)合，一般可在10余天得到模具，比CNC加工方法節(jié)約25%～40%的成本，模具材料的性能與常規(guī)鋼制模具接近，用于熱塑性塑料壽命可達百萬次。該方法的缺點是模具尺寸太大時在滲銅過程中會發(fā)生明顯變形，因此僅適合制造小尺寸的模具鑲塊。

2.2.2 NCC制造技術(shù)

NCC（nickel-ceramiccomposite）工藝結(jié)合了鍍鎳工藝和陶瓷復(fù)合材料背襯。該方法以高分子快速原型為母模電鍍一層厚約1～5mm的鎳，然后在鎳殼的外表面填充陶瓷粉與有機粘結(jié)劑的混合物，分離原型后得到模具。這種復(fù)合材料的模具非常適合制造尺寸較大的模具（大于250mm@250mm@250mm），用于注射件時壽命可達5000件。

2.2.3噴涂法

噴涂法是一種制造金屬模具的常用方法。由于快速原型表面在噴涂過程中要受到熱沖擊，對原型的力學(xué)性能和熱性能有較高的要求。一般噴涂材料為低熔點金屬，如果原型能夠耐受高溫，也可噴涂高熔點金屬如不銹鋼。噴涂法間接快速模具制造工藝簡單，模具型腔表面的精細紋路可以一次成型，尺寸精度高。關(guān)鍵問題是解決好涂層與快速原型表面的貼合和脫離問題。

3.我國快速模具制造的發(fā)展趨勢分析

隨著快速成型技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸擴大和市場對快速產(chǎn)品制造的需求增加，快速模具制造必然獲得迅速的發(fā)展?？焖倌＞咧圃旒夹g(shù)已經(jīng)體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢，國內(nèi)外都投入了很大的力量進行開發(fā)研究，但是目前應(yīng)用還不廣泛，仍然存在很多制約其發(fā)展和應(yīng)用問題。從近幾年的發(fā)展?fàn)顩r看，對于快速模具制造的未來發(fā)展趨勢體現(xiàn)為：

（1）快速模具制造的主要目的之一就在于快速開發(fā)、制作用于傳統(tǒng)制造工藝的模具，在這方面，目前RT技術(shù)已經(jīng)取得很大的進展，但離實際應(yīng)用的要求仍有一定的差距，因此需要進一步擴大快速模具的適用范圍，并降低快速模具的制造成本。尤其對于大型模具的快速低成本制造，將成為快速模具迅速發(fā)展的重要突破方向。

（2）目前快速模具制造都是采用傳統(tǒng)模具材料，由于快速制模是一種新工藝，針對其特點開發(fā)新型模具材料和成型工藝將成為一個重要的研究方向，其中包括新型合金材料、梯度功能材料、復(fù)合材料等。

（3）與高速銑削相比，快速模具制造在表面帶精細復(fù)雜形狀的金屬模具，難以省去電火花加工工序（即用RT代替電火花加工）的金屬模具制造方面將會占有優(yōu)勢，模具表面精細復(fù)雜花紋直（下轉(zhuǎn)第65頁）（上接第26頁）接成形將是RT技術(shù)的未來發(fā)展方向。

（4）金屬殼體+樹脂或者陶瓷背襯等間接快速模具的使用范圍和性能受到限制，以材質(zhì)選擇靈活度高的鑄造方法制造全金屬材質(zhì)的注射、沖壓和壓鑄等主導(dǎo)模具將得到迅速發(fā)展，占據(jù)快速模具間接制造的主要份額。將快速成型、特種鑄造、噴涂或者化學(xué)鍍等表面處理方法結(jié)合起來制造高性能快速模具將具有極大的優(yōu)勢。

（5）直接快速模具制造方法由于不需中間工序、工藝流程短，在表面和尺寸精度、力學(xué)性能和模具種類等得到改善以后，將得到更廣泛的應(yīng)用，以低成本且適于精細加工及多種材料成型的堆積和去除成型技術(shù)的集成技術(shù)，將得到快速發(fā)展。但是在材質(zhì)和成本方面的制約使得間接法仍將是快速模具制造的主要工藝。

（6）間接快速制造法控制精度難度大，應(yīng)著力開發(fā)短流程的快速制造工藝、精度損失小的成型方法，實現(xiàn)工作環(huán)境的穩(wěn)定以提高間接法制造精度。

（7）為了有效地改善快速模具的性能，將進一步采用計算機輔助工程（CAE）與虛擬制造技術(shù)，使模具材料的選擇與組合、模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計等趨于優(yōu)化，產(chǎn)品的品質(zhì)與生產(chǎn)率更高。

4.結(jié)語

隨著市場的需求與生活水平的提高，對產(chǎn)品快速開發(fā)和制造的的要求越來越迫切，快速模具制造技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。由于我國在快速模具制造方面的研究與應(yīng)用剛起步，與國外先進水平比較還有一定的差距，相關(guān)機構(gòu)要加快快速制模技術(shù)研究，促進我國制造業(yè)與國際制造水平相接軌。