探討基于快速原形制造技術(shù)的模具制造

張彥美 徐立 成志遠 張久林

摘要：快速原形制造技術(shù)應(yīng)用有效解決了模具制造過程形狀及性能無法被充分保證的問題，本文介紹快速原型制造技術(shù)的特點，分析其在模具制造中的具體應(yīng)用，肯定其技術(shù)優(yōu)勢，并為相關(guān)研究的開展提供理論參考。

關(guān)鍵詞：快速原形制造技術(shù);模具制造;軟模制造

引言：傳統(tǒng)模具制造工藝流程復(fù)雜，涉及車、銑、鉆、磨等多個步驟才能得到所需的模具形狀及尺寸，實際生產(chǎn)中往往要經(jīng)過反復(fù)的試模才能生產(chǎn)出質(zhì)量達標(biāo)的模具。傳統(tǒng)模具制造效率低下、成本較高、制造周期長，且生產(chǎn)模具的精度難以保障，已無法滿足目前工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的要求，快速原形制造技術(shù)應(yīng)運而生。

1快速原形制造技術(shù)

1.1技術(shù)特點

快速原形制造技術(shù)（RP技術(shù)），整合計算機、激光加工、新材料等多項技術(shù)，利用三維CAD模型處理分層切片，以獲得一系列二維截面輪廓，然后通過激光切割、固化等處理，使之形成既定狀態(tài)，并得到由多層截面堆疊而成的三維實體。RP技術(shù)創(chuàng)新點在于，將原本復(fù)雜的三維加工分解轉(zhuǎn)化為二維加工，通過簡單加工步驟的有序整合，以達到簡化工序流程、提高制造效率的目的。RP技術(shù)與傳統(tǒng)模具制造領(lǐng)域的融合帶來了全新的快速模具制造工藝，有研究表明，該工藝較傳統(tǒng)工藝最高可縮短制造周期30%，并幫助降低35%的經(jīng)濟成本，在制造效率及經(jīng)濟上均具備明顯優(yōu)勢，被模具制造行業(yè)所重點關(guān)注。

1.2主要方法

1.2.1立體光固化成型

立體光固化成型及SLA工藝，該工藝以液態(tài)光敏樹脂為材料，激光束依照零件各分層截面軌跡運行，材料固化形成截面薄層。在已固化完畢的截面薄層上覆蓋新樹脂材料并反復(fù)堆疊，即可得到整個零件原形。該工藝的優(yōu)點在于制造精度高、能耗低，目前在快速模具制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1.2.2選擇性激光燒結(jié)

SLS工藝在工作臺上覆蓋一層薄材料粉末，依照系統(tǒng)給出的截面輪廓軌跡移動二氧化碳激光束，經(jīng)激光束掃描的粉末均燒結(jié)為具備一定厚度的片層，逐層堆疊得到原形實體。市面上已有的SLS成型機型號較多，但運行原理基本一致，僅在供粉及激光掃描模塊略有差別。其中，供粉模塊包括下供粉和下供粉兩種模式，激光掃描模塊則可分為振鏡掃描和激光頭掃描。

1.2.3分層實體制造

分層實體制造（LOM）以激光為主要工具，由計算機系統(tǒng)提取零件截面輪廓線，在控制系統(tǒng)作用下，使用激光逐層切割并堆積材料，最終形成三維實體。LOM加工材料包括紙板、金屬板、塑料板等，其中，紙板間采用粘合劑構(gòu)成統(tǒng)一整體，金屬板則采用焊接方式[1]。該工藝適用于大中型零件的制造，可幫助縮短制造時間。

1.2.4熔融堆積成型

FDM工藝通過電加熱的方式將既定直徑和成分的絲狀材料熔化，不斷調(diào)整絲狀材料的位置，堆疊出三維實體。該工藝流程中使用的材料需先處理為絲狀，然后由送絲機構(gòu)傳輸至噴頭，在噴頭內(nèi)將材料熔化。計算機控制系統(tǒng)操控噴頭依照零件截面輪廓及填充軌跡連續(xù)運動，擠出熔化材料并迅速固化與周圍材料融為一體，反復(fù)操作完成原形制造過程。

2快速原形制造技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

2.1直接制造

直接制造即直接以RP原形進行快速模具制造。RP技術(shù)快速發(fā)展使得原形制造材料可選擇范圍進一步擴張，除金屬材料外，部分熱穩(wěn)定性較強、機械強度較大的材料也可用于快速模具制造。例如，LOM工藝所生產(chǎn)的紙板原形，其硬度與木板類似，可承受200℃的高溫作用，經(jīng)機械加工和噴漆處理后，可被用于砂型鑄造木模、低熔點合金鑄模當(dāng)中。

再比如SLS工藝中，使用激光燒結(jié)聚合物包裹金屬粉末得到的實體結(jié)構(gòu)，將其在一定溫度條件下分解后高溫?zé)Y(jié)，最終形成的結(jié)構(gòu)密度較低，且疏松多孔，將其滲入到銅等低熔點金屬材料中，即可直接得到所需的模具，吹塑零件模具及壓鑄模具等均可采用該方法制得。早在1998年，德國公司就研發(fā)出能夠燒結(jié)混合金屬粉末的選擇性燒結(jié)成型機，無需經(jīng)歷加熱爐再次燒結(jié)及金屬滲入即可得到可被直接使用的注塑模具。

2.2硬模制造

（1）陶瓷型精密鑄造制造模具。該硬模具制造的工藝流程為RP原形生產(chǎn)、軟模賦值、母模移除、陶瓷漿燒注、金屬燒注、型腔拋光、澆注和冷卻、批量生產(chǎn)。

（2）金屬熔射噴涂制造模具。在RP原形或過渡模型上噴涂霧狀金屬材料，可得到金屬硬殼，將母模去除，在金屬硬殼內(nèi)補鑄環(huán)氧樹脂得到硬背襯，處理后可獲取面、襯不同的模具。該工藝的操作過程相對簡單，且最終得到的模具具備優(yōu)良的機械性能，制造精度也可被有效保障，因此多被用于高壓模具的制造。

（3）熔模精密鑄造制造模具。金屬模具的批量生產(chǎn)需先獲得RP原形，或依照原形復(fù)制過程產(chǎn)生的過渡模制造蠟?zāi)５某尚文?，以該成型模為基礎(chǔ)制造蠟?zāi)?，然后再通過熔模鑄造得到金屬模具。若模具結(jié)構(gòu)及形狀較復(fù)雜，也可引入LOM、SLS等工藝所生產(chǎn)的紙、塑料等RP原形作為代替。在此類RP原形上涂抹耐火漿即可采用與熔模鑄造相似的工藝生產(chǎn)金屬模具。實際工作中，原形可直接從CAD系統(tǒng)獲得，因此可省去傳統(tǒng)工藝流程中蠟?zāi)Ｖ谱鞯膲盒驮O(shè)計及制作流程，有效簡化模具制造工藝。

（4）鋁基合成材料制作模具。該工藝以RP原形為母模，澆注軟材料后獲得軟模具，將母模移除，室溫條件下澆注鋁基合成材料得到型腔，處理后可得到模具產(chǎn)品。因澆注作業(yè)在室溫下進行，可有效避免高溫澆注所引發(fā)的翹曲變形過度問題，可提高模具制作精度。依照注射成形零件的材料及形狀不同，采用該方法得到的模具壽命在500～5000件[2]。

2.3軟模制造

軟模具主要適用于零件加工批量較小的生產(chǎn)情況下，主要工藝流程為：利用RP技術(shù)得到零件原形，以該原形作為母模，通過軟材料燒注，得到軟模具。常用軟材料包括蠟、環(huán)氧樹脂、硅橡膠等，其中蠟?zāi)Ｖ饕糜谌勰ｈT造，而環(huán)氧樹脂、硅橡膠等材料可生產(chǎn)注塑模及低熔點合金鑄造模。以上軟材料均具備優(yōu)良的彈性和強度，可簡化復(fù)雜模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，且脫模操作也更加順暢。例如在使用硅橡膠復(fù)制模具時，若忽略拔模斜度的影響，其尺寸精度可基本達標(biāo)。在室溫條件下，硫化硅橡膠材料強度下降，模具壽命一般在10～25件。相較之下，TEK高溫硫化橡膠材料的耐高溫性更強，最高可達到500℃，且硬度及抗壓強度均較硫化橡膠有顯著提升，使用該材料生產(chǎn)的新合金離心鑄造模具壽命在200～500件。

結(jié)論：基于快速原形制造技術(shù)的快速模具制造工藝有效解決了傳統(tǒng)制造工藝中，模具設(shè)計難度大、制造周期長、精度無法保障等弊端。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，快速模具制造工藝的自動化、智能化水平也將進一步提升，精確、便捷獲取模具制造形狀、結(jié)構(gòu)及精度要求，提升模具制造質(zhì)量。

參考文獻：

[1]宗學(xué)文，熊聰，張斌，等.基于快速成型技術(shù)制造復(fù)雜金屬件的研究綜述[J].熱加工工藝，2019，48（01）：5-9+13.

[2]劉勝勇.基于快速原形制造技術(shù)的模具制造[J].金屬加工（冷加工），2018（05）：3-7.