基于快速原形制造技術(shù)的模具制造

■ 中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南橋箱有限公司 （山東 250022） 劉勝勇

1. 快速原形制造概念

隨著工藝、材料和裝備的日益進(jìn)步，模具產(chǎn)業(yè)賴以堅(jiān)持的材料去除方式的切削加工正被效益顯著的材料離散/堆積方式的快速原形制造所替代。相比前者，后者既適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的快速經(jīng)濟(jì)制造，又能降低個(gè)性化、定制生產(chǎn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的加工成本，還可做到無(wú)?；木G色、節(jié)能、低碳、環(huán)保型制造。機(jī)械制造方法如圖1和圖2所示。

圖1 材料去除的減材制造

圖2 材料離散/堆積的增材制造

作為快速經(jīng)濟(jì)模具制造技術(shù)的一個(gè)分支，快速原形制造是在離散/堆積（即材料疊加）成形思想下，先通過(guò)立體光固化成形（SLA）、疊層輪廓制造（LOM）、激光粉末燒結(jié)/熔化成形（SLS/SLM）、熔融沉積制造（FDM）和三維打印成形（3DP）等增材制造工藝快速自動(dòng)地獲得制件原形，再通過(guò)一些具有精細(xì)化、自動(dòng)化、信息化機(jī)能的快速制模方法，獲得長(zhǎng)壽命的金屬模具或低壽命的非金屬模具。簡(jiǎn)言之，模具的快速原形制造可分為快速成形和快速制造兩個(gè)環(huán)節(jié)。

從廣義角度講，模具快速成形是以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將液體、粉末、線材或塊材等成形材料變?yōu)樗韫に囆螒B(tài)后，經(jīng)由具有高精、柔性、數(shù)字及自動(dòng)等特點(diǎn)的成形機(jī)按預(yù)定輪廓軌跡累加起來(lái)，快速得到制件原形。

2. 立體光固化成形（SLA）

立體光固化成形（Stereo lithography apparatus，簡(jiǎn)稱SLA）工藝是以液態(tài)光敏樹(shù)脂為原料，在成形機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)控制下，激光束按零件各分層截面的預(yù)定輪廓軌跡掃描并固化，形成零件的第1個(gè)薄層截面；然后工作臺(tái)下降一個(gè)分層厚度，在已固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，以便進(jìn)行第2層掃描固化。新固化層牢固地黏結(jié)在前一層上。如此重復(fù)，直到整個(gè)制件原形制造完畢。SLA工藝具有精度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已發(fā)展為基于數(shù)字光處理技術(shù)的動(dòng)態(tài)掩模投影式SLA（見(jiàn)圖3）。立體光固化成形案例如圖4所示。

3. 疊層輪廓制造（LOM）

圖3 動(dòng)態(tài)掩模投影式SLA原理

圖4 立體光固化成形案例

疊層輪廓制造（Laminated object manufacturing，簡(jiǎn)稱LOM）工藝是利用激光等工具，按照計(jì)算機(jī)提取的制件橫截面輪廓線，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，逐層切割/堆積薄板材料——紙板、塑料板或金屬板，最終形成對(duì)應(yīng)材質(zhì)的三維實(shí)體。各層紙板或塑料板間的結(jié)合常用粘接劑實(shí)現(xiàn)，各層金屬板間的結(jié)合常用焊接（熱釬焊、熔化焊或超聲焊接等）或螺栓聯(lián)接實(shí)現(xiàn)。LOM工藝具有省時(shí)、便于制作中大型厚實(shí)制件等特點(diǎn)，其原理和案例分別如圖5、圖6所示。

4.激光粉末燒結(jié)/熔化成形（SLS/SLM）

激光粉末燒結(jié)（Selective laser sintering，SLS）工藝采用CO2激光器（或Nd：YAG激光器）作能源，選擇尼龍、聚丙乙烯、尼龍＋鋁粉、黏結(jié)劑＋陶瓷粉、黏結(jié)劑＋金屬粉、鑄造用樹(shù)脂覆膜砂＋玻璃纖維等粉末為工藝材料，借助選區(qū)激光成形機(jī)，由激光束按照計(jì)算機(jī)提取的制件分層輪廓進(jìn)行選擇性的燒結(jié)，逐層鋪粉（100～200μm/層）和燒結(jié)，并經(jīng)打磨、烘干等處理后，最終形成三維實(shí)體。熔化成形（Selective laser melting，SLM）工藝與S L S工藝有異曲同工之處，它們均需選取激光成形機(jī)分層處理工藝材料，但在制件成形時(shí)，SLS為粉末半固態(tài)液相燒結(jié)，粉粒表層熔化并保留其固相核心，SLM為粉末完全熔化。

國(guó)內(nèi)外研制的SLS/SLM成形機(jī)數(shù)量較多，其工作原理大致相同，只是供粉系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)有所差別。供粉系統(tǒng)一般有下供粉和上供粉兩種結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖7），激光掃描系統(tǒng)一般有振鏡掃描式和激光頭掃描式（見(jiàn)圖8）兩種。

5. 熔融沉積制造（FDM）

FDM（Fused deposition modeling）工藝也叫熔絲沉積制造，它是利用電加熱法等熱源熔化特定直徑和成分的絲狀材料，由三軸控制系統(tǒng)移動(dòng)熔絲材料，逐層堆積成形三維實(shí)體，其過(guò)程示意及案例如圖9所示。材料（通常為低熔點(diǎn)塑料，如ABS、PC等）先制成絲狀，通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱熔化；噴頭在計(jì)算機(jī)控制下沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，將熔化的材料擠出并迅速固化、與周圍材料黏結(jié)；經(jīng)層層堆積成形而完成原形制造。

圖5 疊層輪廓制造（LOM）原理

6. 三維打印成形（3DP）

3DP（3D printing）工藝是采用打印頭、噴嘴或其他打印機(jī)，通過(guò)流化處理使成形材料變?yōu)榭蓢娚涞牧鲬B(tài)“墨水”，借助多種形式的精細(xì)噴頭實(shí)現(xiàn)“墨水”的配送和操控，按需噴射并逐步堆積為三維實(shí)體。

3DP中材料變?yōu)椤澳钡闹饕椒ㄓ校河萌軇┦箍扇懿牧先芙鉃橐簯B(tài)“墨水”，加熱使可溶材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)“墨水”，用分散劑使固態(tài)微粒轉(zhuǎn)變成懸浮液、漿料、膠體等種類的“墨水”，用噴霧裝置使熔化材料或含有金屬、陶瓷微粒、細(xì)胞的懸浮液、漿料轉(zhuǎn)變成霧滴流“墨水”，用高速氣流使固態(tài)微粒流化成粉粒流“墨水”。3DP按照實(shí)現(xiàn)可控噴印而施加于噴頭的使能動(dòng)力形式，主要分為壓電驅(qū)動(dòng)式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式三大類，所使用的“墨水”黏度依次為低黏度、中低黏度和高黏度。3DP工藝過(guò)程示意及案例如圖10所示。

7. 模具快速制造及裝備

圖6 疊層輪廓制造案例

常見(jiàn)模具處理方式及所用裝備

圖7 SLS/SLM成形機(jī)供粉系統(tǒng)示意

圖8 SLS/SLM成形機(jī)的激光頭掃描式系統(tǒng)

圖9 熔融沉積制造工藝過(guò)程示意及案例

圖10 3DP工藝過(guò)程示意及案例

常見(jiàn)模具處理方式及所用裝備如附表所示。經(jīng)由模具快速成形工藝獲取的絕大多數(shù)制件原形被用于產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計(jì)溝通、產(chǎn)品試制的裝配測(cè)試以及產(chǎn)品投產(chǎn)前少量修改等，但有些制件原形需進(jìn)行打磨、拋光、噴涂和機(jī)加工等必要的后續(xù)處理——快速制造，才能促進(jìn)制模效率、保證成形精度、提高使用壽命以及節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。這些處理任務(wù)均離不開(kāi)現(xiàn)代化模具裝備的高效應(yīng)用。

模具快速制造裝備在模具快速成形過(guò)程中扮演著重要的角色，其控制精度直接會(huì)影響模具成形精度，其傳動(dòng)效率直接會(huì)影響模具經(jīng)濟(jì)效益，其復(fù)雜系數(shù)關(guān)乎著模具制造樣式。因此，模具企業(yè)要在快速制模的各個(gè)環(huán)節(jié)普及應(yīng)用數(shù)控裝備，借助傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采集制模過(guò)程數(shù)據(jù)和裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模具全價(jià)值鏈的信息和數(shù)據(jù)的綜合管理與共享，以適應(yīng)模具個(gè)性化需求。

8. 結(jié)語(yǔ)

模具的快速原形制造需在設(shè)計(jì)階段全面普及CAD/CAM/CAE技術(shù)，在制件原形階段大量采用經(jīng)濟(jì)型新材料和快速制模工藝，在批量制模階段廣泛使用現(xiàn)代化數(shù)控裝備和智能機(jī)器人，力求早日實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享化、過(guò)程自動(dòng)化、裝配無(wú)人化及供需定制化的“四化”目標(biāo)。

[1] 劉勝勇. 模具行業(yè)國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備發(fā)展對(duì)策[J]. 金屬加工（冷加工），2017，784（11）：Ⅷ，1-3.