快速模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

魏海燕　閔祥娜　段祥宇

摘 要：快速成型與制造（RP&M）作為誕生僅十余年的先進制造技術(shù)，已成功地實現(xiàn)了快速原型制造，目前已向快速模具制造（RT）方向迅速發(fā)展。主要介紹快速制模尤其是快速金屬模具制造（RMT）技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，比較和分析了模具快速制造的間接法和直接法的特點和問題，探討了快速模具制造技術(shù)發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題及其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：快速成型與制造；快速制模；快速制造金屬模具；間接法；直接法

近10年來，制造業(yè)市場環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，迅速將產(chǎn)品推向市場已成為制造商把握市場先機的重要保障。因此，產(chǎn)品的快速開發(fā)技術(shù)將成為贏得21世紀制造業(yè)市場的關(guān)鍵。

1.快速模具制造技術(shù)產(chǎn)生的背景

模具是制造業(yè)必不可少的手段，其中用得最多的有鑄模、注塑模、沖壓模和鍛模等。傳統(tǒng)制作模具的方法是：對木材或金屬毛坯進行車、銑、刨、鉆、磨、電蝕等加工，得到所需模具的形狀和尺寸。這種方法既費時又費錢，特別是汽車、摩托車和家電所需的一些大型模具，往往造價數(shù)十萬元以上，制作周期長達數(shù)月甚至一年。而基于RPM技術(shù)的RT直接或間接制作模具，使模具的制造時間大大縮短而成本卻大大降低。由于產(chǎn)品開發(fā)與制造技術(shù)的進步，以及不斷追求新穎、奇特、多變的市場消費導(dǎo)向，使得產(chǎn)品（尤其是消費品）的壽命周期越來越短已成為不爭的事實。

2.快速制模技術(shù)的發(fā)展簡況

隨著多品種小批量時代的逐步來臨和企業(yè)要求模具能保證新產(chǎn)品快速占領(lǐng)市場，開發(fā)快速經(jīng)濟模具越來越引起人們的重視，。水泥、陶瓷制作的汽車覆蓋件模具還有待進一步改善。相比之下，由于金屬材料具有優(yōu)良的綜合性能，金屬模具低成本快速制造成為RPN技術(shù)的努力目標。世界先進工業(yè)化國家的RPM技術(shù)在經(jīng)歷了模型與零件試制、快速軟模制造階段后，目前正向快速硬模即金屬模具制造（RMT）方向發(fā)展，RMT已成為國際RPN技術(shù)應(yīng)用研究開發(fā)的熱點。

2.1間接制模法

在直接制模法尚不成熟的情況下，目前具有競爭力的RMT技術(shù)主要是粉末燒結(jié)、電鑄、鑄造和熔射等間接制模法。上述各種間接法都具有快速經(jīng)濟的特點。但相比之下，鑄造法和粉末燒結(jié)法尺寸變化大，制模精度不高。電鑄復(fù)制精度雖高，但制模時間長、受電鑄材料種類限制且需處理廢液污染。熔射法具有模具材料種類和制模尺寸規(guī)格限制小、復(fù)制精度高等優(yōu)點。

2.2直接制模法

直接法尤其是直接快速制造金屬模具（DRMT：Direct Raoid Metal Tooling）方法在縮短制造周期、節(jié)能省資源、發(fā)揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潛力，從而受到高度關(guān)注。目前的DRMT技術(shù)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保證其綜合性能質(zhì)量，從而直接快速制造耐久、高精度和表面質(zhì)量能滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)條件的金屬模具。目前已出現(xiàn)的DRMT方法主要有：以激光為熱源的選擇性激光燒結(jié)法（SLS·Se—lective Laser Sintering）和激光生成法（LG·Laser Generating）；以等離子電弧等為熱源的熔積法（PDM：Plasma Detmsition Method，或PPW：Plasma Powder Welding）；噴射成形的三維打印法（3DP：Three—Dimensional Printing）。

等離子熔積法（PDM）具有使用材料范圍廣、能獲得滿密度金屬零件的特點。起源于前德國Kruoo和Thvssen公司的埋弧焊接，能夠?qū)崿F(xiàn)大型或特大型容器的成形焊，其機械性能、組織優(yōu)于鑄鍛組織，通過適當選擇工藝參數(shù)可以減少殘余應(yīng)力和裂紋發(fā)生，提高堆焊高度。此外，薄鋼板的LOM技術(shù)也可制造金屬模具，但疊層間需焊接等緊固處理，且材料利用率低，薄板熱變形也影響成形精度和粗糙度。

3.基于RPM的快速模具制造方法

3.1用快速成形機直接制作模具

由于一些快速成形機制作的工件有較好的機械強度和穩(wěn)定性，因此快速成形件可直接用作模具。例如，Stratasys公司TITAN快速成形機的PPSF制件堅如硬木，可承受300℃高溫，經(jīng)表面處理（如噴涂清漆，高分子材料或金屬）后可用作砂型鑄造木模、低熔點合金鑄造模、試制用注塑模以及熔模鑄造的壓型。

3.2用快速成形件作母模，復(fù)制軟模具（Soft tooling）

用快速成形件作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等軟材料，構(gòu)成軟模具，或先澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂模（即蠟?zāi)５膲盒停?，再澆注蠟?zāi)?。其中，蠟?zāi)？捎糜谌勰ｈT造，而硅橡膠模、環(huán)氧樹脂模等可用作試制用注塑模或低熔點合金鑄造模。

3.3用快速成形系統(tǒng)制作電脈沖機床用電極

用快速成型件作母體，通過噴鍍或涂覆金屬、粉末冶金、精密鑄造、澆注石墨粉或特殊研磨，可制作金屬電極或石墨電極。

4.展望

鑒于模具技術(shù)在制造業(yè)中所處的關(guān)鍵地位，快速制模尤其是快速制造金屬模具技術(shù)的開發(fā)研究受到高度關(guān)注，概括該技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢有以下幾個特點：

（1）快速軟模及陶瓷等模具的使用范圍受到限制，壓鑄、注塑、沖壓等主導(dǎo)模具的金屬模具快速制造是RPN技術(shù)努力的目標。

（2）基于堆積成形原理的直接制模法在表面及尺寸精度、綜合機械性能等方面尚難以滿足高精度、高表面質(zhì)量的耐久模具制造要求，且成本高、尺寸規(guī)格受限制。以低成本且適于精細加工及多種材料成形的堆積和去除成形技術(shù)集成，將是提高直接制模法的實用性、材料適應(yīng)性和表面精度的有效方法。

（3）快速制模法適合我國國情，具有廣闊的應(yīng)用前景。與高速銑削加工相比，在表面帶精細復(fù)雜形狀和電火花加工難以省去的金屬模具制造方面占有優(yōu)勢。要進一步提高快速制模技術(shù)的競爭力，必須開發(fā)加工數(shù)據(jù)生成較數(shù)控加工數(shù)據(jù)生成更容易，并能獲得所需的尺寸及表面精度材料選擇范圍廣的直接快速制模新方法。

參考文獻：

[1] 黃毅宏主編.《模具制造工藝》.機械工業(yè)出版社

[2]《模具制造手冊》.模具制造手冊編寫組編.機械工業(yè)出版社

[3]（日）吉田弘美著，王旭譯.《模具加工技術(shù)》.上海交通大學出版社

[4]《快速模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢》.中國現(xiàn)代制造網(wǎng)