速造模技术的发展动态和技术瓶颈

　　快速模具技术中的“快速”最初指的是模具能比传统加工快得多地被制造出来。这依然是正确的。但在最近几年中，快速模具技术发展成为了能提供周期比传统技术快出40%的制模技术。快速模具技术的用途由原型变换到充分生产用工装。

　　较新的快速模具方法能减少或消除由不均匀冷却引起的变形和内部张力，同时通过从模具中厚的部分或其它难于冷却的地方提取热量，如凸起或筋条，来提高生产力。对较新高导热率模具的试验发现，成型周期中的冷却时间可被设定至零，而工艺仍会产出可接受的部件。

　　传统制模受到两个因素的限制：一是标准模具钢如H-13、P-20或不锈钢的导热性一般，选用它们主要是为了硬度和防腐蚀。冷却也受到模架中直接深孔钻槽的可靠性所限制。传统的制模业者可能尝试着用铍铜或其它导热性强的铜合金嵌件、二次冷却通道或较深模芯中的出水口、以及能进入到模具主体内部并吸取热量的导热管或“热销”，来克服这些限制。

　　快速模具技术使冷却流道能被设计的空间几乎毫无约束

　　快速制模技术的供应商已经开发出更好模具冷却的两条路线：从一开始就在模具中用上导热性好的金属，集合上符合部件表面的冷却流道，而不论其形状有多么不规则。快速模具供应商声称这两种方法中的一个或两个都能做得比出水口或导热管更好。较新快速模具方法一般将导热金属与模具钢相结合，形成双金属结构，帮助提供比铜合金或单一的铝要更好的耐磨性。

　　一些传统制模用到的导热合金有着高达30-40Rc的硬度值，接近于P-20号钢。也有一些将铜合金和铝预硬化至相似水平的方法。但是今天的快速模具技术在双金属结构中把导热性金属与模具钢相结合，提供的导热率高，硬度达50-80Rc，相当于H-13号钢或更好。

　　关于硬质但导热性强金属的新成果能对快速模具被接受程度产生所需要的提升，快速造模已经激发了很大的关注，但被制模业者或成型业者采用的情况一般。对于多数部件，快速模具技术已经在原型以及小规模生产中得到应用。现在，所谓“桥”式模具应用和大规模作业被快速模具所把握。基本上，现在的目标是要在较高的冷却速率之下获得相同的模具寿命，而周期更快。

　　条条道路通往快速模具

　　快速模具技术的范围包括了生产双金属模具或嵌件的四种截然不同之方法。一些形成具有模具钢材料表面层的嵌件和导热金属材料的模芯。POM集团提供“直接金属沉积（dmd）”工艺，它是喷涂金属粉末的同时用激光进行熔化。快速模具技术供应商RSP公司利用的是“快速凝固工艺”，一种金属喷涂方法。ExOne公司利用一种金属印刷工艺来为D-M-E公司生产模具嵌件，产品名称为“模熔（MoldFusion）”。

　　激光烧结技术被用来制造模具嵌件，它们不是分层的，而是钢与导热金属的混合物。

　　另外，所谓梯度模具或嵌件由一种金属所制成。EOS在制模时能操控导热性模具钢的密度与机械性能从而制成“壳－芯”结构。

　　做出与部件表面轮廓相符合的模具冷却流道对于所有这些快速模具技术都是常见的。这种冷却有可能从传统冷却流道难于靠近的区域取走热量，它可能会引起所需冷却管线总数的降低，有可能节省装模时间。

　　仿形冷却与传统冷却管线相比，有着明显的优势。传统管线被限制为圆孔与直管，位置被其它模具零件所限制。在一定范围内，仿形冷却管线可以是所想要的任何形状，也可以如希望的进行弯曲。它们可以被布置在其它模具零件四周，出入口位置可以进行有目的地确定好。

　　POM集团的业务经理Jerry Janson称：“仿形冷却对于我们所有顾客来说并不是万能药，所以我们与许多大客户一起合作来达到成功。我们已经对仿形冷却展开了研究工作，所缩短周期时间的幅度由8%上升到40%。”很多工作因为与顾客的不公开协议而被保密，但Janson引用了具有仿形冷却的模具在汽车中的应用这样一个例子，它将塑件周期时间由54秒缩短至36秒，降幅达三分之一。

　　不只是用于原型

　　快速模具技术正在规模生产中证明自己。POM集团建造了直接金属沉积模具，已经生产出50万-100万只塑件。它的模具已被用于PC、TPO和PP纳米复合物的成型。

　　EOS公司称其“直接金属激光烧结(dmls)”工艺被用于制造带仿形冷却的模具，来生产高尔夫球。四腔模具运行500万次周期、生产2000万只球不会出现问题。直接金属激光烧结也被用于几十万只玻璃填充PBT材料的插座的生产模具当中。

　　双金属压条法

　　POM集团的“直接金属沉积技术”生产出金属粉末材料密集度达99.8%的模具部件。该工艺于1998年被商业化，利用了5kw功率的激光与粉末状模具钢(D-2、H-13、P-20、不锈钢或其它许多种类)。为了做出高导热率的模具或零件，第一步就是要由类似Ampco940铬铜合金的导热性金属做出模芯。然后钢壳通过直接金属沉积方法被沉积在模芯上。

　　双金属模具将高传导性金属与耐磨模具钢结合在一起

　　该工艺开始于专门设计的喷嘴，有激光、金属粉末和惰性气体分别所用到的孔，创造出无氧的环境。模具一层又一层地沿着出自CAD文件的模具路径而建造。少量的粉末金属通过喷嘴中的孔被注射到直径1-2mm的地方。当粉末到达底层表面，激光束就同时把金属熔化成一小滩，当激光继续移动时就会迅速冷却下来。建造速度的范围从2到9立方英寸/小时。模壳以0.5-1.25mm的层次被建造成接近网络的形状，0.007-0.010的过度材料必须以传统打磨或电火花加工来弄完。POM公司声称在模芯和模壳之间有着真正冶金学上的结合，这是依靠以金属为基础的“界面”或粘合层来实现的。

　　POM集团提供五轴直接金属沉积机器，工作面积为1×2×0.75米。根据所用粉末金属合金的不同，直接金属沉积能生产出表面硬度高达62Rc的钢质模壳。因为这样，POM能利用其技术来修理损坏的模具。如果因为塑件设计变化而对模具进行修正，那么只能切削掉有待改变的区域，新的形状被直接以直接金属沉积方法添加到模具中，并被加工成最终的尺寸。不同于传统的重造模具，没必要让整个模具经历热处理来硬化重造部分。而且，直接金属沉积可以被用来将仿形冷却流道加入到老式模具的滑块、嵌件等当中，来缩短周期时间。

　　美国肯塔基州路易斯维尔大学的快速原型中心拥有一套来自POM的直接金属沉积系统，并对铬铜与H13号钢的双金属模具进行广泛的测试，来评估模具寿命与整体性能。单模腔模具运用PP材料的冷却时间为零，将整体周期由27秒缩短至22秒，同时仍然生产出可接受的塑件。该中心也正在测试直接金属沉积模具用于铝质铸模的能力，其加工环境要苛刻得多。

　　另一个关于双金属压条法的快速模具工艺是RSP的“工艺”，这是一种金属喷涂沉积方法，可生产99.5%-99.8%完全密集的模芯与模腔。依靠立体平版印刷或其它快速原型工艺，快速凝固工艺使用了陶瓷模型。熔化的钢被注入到喷嘴中，在这里它会与惰性气体的管道流相遇，气体把18”-24”大小的小滴传送到塑件表面。小滴快速地冷却，并当碰到模型时就会立即凝固下来。喷嘴能沉积材料的速度达到500lb/hr。喷涂沉积过程逼真地模仿表面细节。为了形成壳/芯结构，被沉积的钢升温，然后一层铜合金被喷涂在钢的上面。通过停止喷涂过程、放置铜管、装入更多被喷涂的金属，仿形冷却管线就可以被添加到模具中。

　　对钢层进行喷涂首先使待建造的层面均匀，这将从成型表面均衡地转移热量。纵贯模具的铜层厚度不一样，铜占据了嵌件的整个深度。

　　钢与铜之间的结合通过粗糙的喷涂技术而形成，所以钢的敞开面极为粗糙。当铜被喷涂在钢上时，它会渗透到隐蔽处和裂缝中，形成坚固的物理性结合，尽管不是一种冶金学上的结合。

　　可以在几分钟内建造出尺寸公差小于±0.002”的模具零件。塑件可以做成7”×7”×4”的大小，并设计了生产能力更大的机器。

　　RSP公司的工艺可以用上至少10种不同的模具钢与更软的材料。当使用H13号钢时，模具硬度能超过传统热处理H13号钢的60Rc。这要归因于被喷涂小滴的快速淬火影响着颗料结构与强度。RSP模具也可以被热处理与回火。

　　RSP正在对具有更高硬度的铬含量高的金属进行评估，也在测试Inconel，一种高温型防腐蚀镍/铬/铁合金。进一步的发展也将在喷涂过程时提供混合不同金属的能力。

　　快速模具不再只是用于原型了混合金属表面

　　“选择性激光烧结（SLS）”是由DTM公司于1996年商业性推出的模具工艺。DTM被三维系统公司所收购。为实现快速模具，该工艺首先用聚合物粘合剂做出了钢粉材料的“绿色”部件。该部件是通过粉末的快速烧结以薄层状建造起来的，作为源自CAD模型的激光跟踪路径。绿色部件被置于脱粘炉当中，在这里粘合剂被烧掉。然后部件中的空间被熔化的铜与钢的渗透所填充。最后的步骤就是加热烧结与最终部件的退火。

　　这个工艺一般产生出含60%的钢与40%的青铜的均一部件，硬度达39Rc。近网状部件在脱粘步骤之后几乎没有经历皱缩。这是一个完全致密的部件，不怎么需要打磨之外的后加工。

　　三维系统公司为选择性激光烧结提供两种不锈钢粉末：420号不锈钢Laserform ST-100，和不锈钢成分不一样的Laserform ST-200。新型Laserform A6粉末由低碳钢粒与粘合系统所组成。

　　该公司正在为选择性激光烧结探寻新的渗透材料，包括铍铜、镍/硅/铬/铜合金Ampco 940、碳化钨与铝、硅青铜，据称能造出的模具比传统模具的冷却速度高出40%。

　　同时，三维金属“印制”工艺利用了喷墨快速原型技术的变体，创造出由粉末钢层和热固化聚合物型粘合剂所组成的模具。该工艺是由提供金属沉积机械的Extrude Hone公司于2000年实现商业化的。

　　维印刷工艺把一层不锈钢粉末在建模表面上展开，然后利用喷墨型打印机头将聚合物粘合剂的式样沉积在粉末表面上。集成灯迅速地将钢粉上的粘合剂干燥。另一层粉末与粘合剂然后就在第一层上沉积，重复以上步骤。该部件被放置在烧结炉当中，粘合剂于其中被烧掉，金属颗粒被熔合在一起。接着“绿色”被烧结部件被铜所渗透，实现完全的充分致密性。

　　结果就是近网状的部件，一般是含60%的钢与40%的青铜，强度、可压缩性与硬度（约30Rc）都接近P20号钢。最大尺寸是8”×8”×6”。模具的基本公差小至±0.005”，在部件整个长度上的变化率是0.002。该模具可以被切削、钻孔、打磨、涂层或电镀。

　　ExOne公司也选择对材料进行烧结，实现不用渗透的充分致密性。创造不含铜的全不锈钢部件将硬度提高到了55Rc，但它降低了热导性，引起15%的线性皱缩，而当部件被渗透时的皱缩率只有1%。在任何情况下，模具在大约几天时间内就能被做出来。

　　ExOne正在对几种新的制模材料进行评估，包括模具钢、不同的不锈钢/铜组合、含有改进硬化的添加剂的传导性合金。对仿形冷却的研发是一个重要焦点。ExOne公司用金属印制工艺所产嵌件的近四分之三具有仿形冷却。

　　快速模具为人们所熟悉

　　冷却增强的模具比传统模具的价格要高于10%-30%。但是，快速模具供应商称成型业者将看到通过更快冷却与更高生产力所带来的快速投资回报。但不是所有的快速模具公司称他们的模具成本更高。RSP公司称其工艺比加工模具更为便宜，所以出来的成本接近普通模具。

　　高导热性快速模具的双金属结构产生了一些在粘合、热应力、膨胀收缩系数、可能分层等方面的问题，它们有可能约束一些成型业者尝试使用快速模具。但快速模具供应商们已经对如何与何处使用他们的技术表现出谨慎，他们称不懈的研发努力的目标是要改进他们的技术。

　　“我们正在研究改进钢与铜之间结合的方法，”RSP公司的Knirsch说，“我们有几种模具将投入生产，它将是在顶部有H13号模具钢的非合金铜。我们拥有的数据显示冷却将快出两成到三成。”

　　POM开发出了专用的粘合层，来减少两种金属间的分层，而同时像RSP的一些企业依赖于模具制造过程中金属之间形成的物理性粘合。ExOne公司的三维金属印刷工艺利用了相容性材料，以减少分层的机率。铜合金与不锈钢相容，令铜渗入到不锈钢的结构当中。

　　有些成型业者可能担心复合金属表面是否有足够的硬度来应对苛刻的成型作业。一个佐证是由选择性激光烧结法（SLS）生产出来的模具。许多快速模具用户不对模具进行热处理，而是对没有问题的表面镀铬或镀镍。但是，电镀增多了一个步骤，延长了模具交货时间。

　　3D Systems公司相信即使未电镀的SLS模具也将表现出良好的耐磨性能。渗透性铜具有一定的耐磨性，可用作润滑剂。一些用户用该公司的模具已经看到了比传统材料更好的耐磨效果。

　　为使快速模具达致成功，成型业者需要学会如何正确使用它们。必须注意不要快速冷却模具，否则可能不会获得恰当的填充。利用冷却增强型方法的成型业者可能必须提高注射压力和速度，来调节成型工艺，从而确保材料在模具内到达填充的尽端。他们可能还必须提高树脂的温度。几家供应商正在研究计算机模拟技术或其它有限元分析软件，来开发针对双金属组成模具的工艺模式。

　　优化热导性模具的成型过程可能需要改变螺杆速度、模具顶出速度、模具开合速度、热嘴温度、模温和冷却时间。

　　乏对仿形冷却工作原理的了解只会令成型者更快地做出许多劣质部件。随着更多的模具表面接近冷却流道，较薄部位可能太迅速地冷却，然后就翘曲。较好的方法是把冷却流道移至靠近有热点的模腔，并向后退一段合理距离。

　　另一个棘手问题是在快速模具中应用模具钢与热导性金属的什么有关性能。如果是对玻璃填充尼龙这样的结实材料进行成型，就需要有足够的模具钢来应付磨损。但加的模具钢越多，传热系数就越小。POM公司称他们一般在导热性材料顶部应用0.06”-0.1”的模具钢。其它供应商称这要根据产品、冷却程度或顾客所需耐磨性而变化。

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