基于快速成形的快速制模技术的应用

　　将RP技术应用于模具制造，即基于快速成形技术的快速制模技术(Rapid Tooling，RT)的出现，使模具快速制造技术有了新的发展，由于其与生产实际紧密相连，并具有完全使用功能，因而被认为是今后一段时期内快速成形技术发展的主要方向。  

　　1 模具的直接快速制造  

　　直接快速模具制造是指利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。主要工艺如下：  

　　1.1选择性激光烧结  

　　选择性激光烧结(selective laser sintering， SLS)是激光束在计算机控制下，按照截面轮廓的信息，分层对轮廓实心部分所在的粉末进行烧结，逐步得到各层轮廓，以制备三维实体模型和产品的快速成形方法。SLS直接快速制造要求利用大功率设备。  

　　美国3D Systems公司采用将金属粉末和有机黏结剂相混合后的粉末烧结技术，同DTM公司联合开发的Laserform ST镍铬钢覆聚合物粉末,制成的注射模,其寿命可达5 万件以上; 用Rapidsteel不锈钢覆聚合物粉末，制成的注射模热传导性好, 硬度、韧性和耐磨性与传统的工具钢模具相当,寿命已达到10 万件以上; 用CuPA铜聚合物混合粉末制成的注射模也具有良好的热传导性和一定的强度, 但在高温下其强度会迅速降低而发生表面材料剥落, 寿命一般为100～400 件,但由于其价格相对低廉,因而在新产品试制中得到广泛应用。  

　　1.2 激光净形制造工艺  

　　激光净形制造(Laser Engineering Net Shaping, LENS)工艺是基于激光熔覆的直接制造技术，是20世纪90年代中后期发展起来的一种先进制造技术，它将快速成形(Rapid Prototyping, RP)技术与激光熔覆(Laser Cladding)技术相结合，采用高功率激光器在基底或前一层金属上生成一个移动的金属液态熔池，然后用喷枪将金属粉沫喷入熔池中，使其熔化并发生冶金反应，并与前层紧密结合，直到生产最终的模具。  

　　通过调整激光功率和扫描速度，可以使成形零件的精度可以控制在0.12mm范围内，表面粗糙度约10μm。LENS技术不仅可以显著缩短模具制造时间(可节省40%左右)，而且为模具制造业引进了一个新的设计概念——共形冷却通道(Conformal Cooling channel)。共形冷却通道是根据模芯和模腔形状在模具内部设计的复杂冷却液通道，由于通道完全隐匿于零件内部且形状复杂，因此用传统加工方法很难甚至根本无法制造出来。共形冷却通道可以显著改善模具的导热状况，延长模具使用寿命，而且还可以将模具的单件成形时间缩短10~40%，使得生产效率大为提高。

　　1.3 形状沉积制造  

　　形状沉积(Shape Deposition Manufacturing, SDM)工艺在制造过程中，零件和支撑都是逐层同步生成，而且新增加材料都是液态材料，每层完成之后都是在计算机控制下进行切削加工和应力消除处理，层层叠加直到生成零件，最后通过腐蚀手段将支撑除掉，另外为了提高精度和表面质量，在加工过程中引入数控加工处理，即在每一层沉积完成之后，用数控铣对轮廓和表面进行修整，因此可以直接制造高密度的金属零件或模具。SDM工艺制造的金属模具突破了零件复杂程度的限制，同时又是有较高的成型精度。  

　　Stanford University对该工艺进行了研究。Stanford大学将去除法和添加法结合在一起，形成自己的形状沉积制造技术，所用材料包括成形材料和支撑材料，所成型的零件具有很高的精度。采用形状沉积工艺，用不锈钢和铜制造的双金属注射模具，用铜做内层可以得到均匀的加热和冷却效果。

　　1.4三维印刷成型技术  

　　三维印刷成型(Three Dimensional Printing 3DP)技术采用滴液喷射的RP技术。是用微机控制一个连续喷墨印刷头,依据分层软件逐层选择性地在粉末层上沉积液体粘结材料,最终由顺序印刷的二维层堆积成一个三维实体。  

　　美国 Z Corporation 公司开发的ZCast粉末材料直接成形模具型腔，可用于浇注低熔点金属及合金。Sachs等研究了基于3DP技术的直接金属喷射成型工艺，其原理是将金属熔化后，采用某种方式振动熔腔，在微喷嘴处得到均匀的金属液滴，然后在电场的作用下定点定时喷射出来，堆积成形。其红宝石喷嘴直径为50μm，试件层厚为100μm，能够制作带有共形冷却道的任意复杂形状的模具。

　　2 间接快速制模  

　　间接制模是通过RP 技术与传统的模具翻制技术相结合制造模具，其特点是一方面可以较好地控制模具的精度、表面质量、力学性能与使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。  

　　2.1 基于SLS的间接制模法  

　　利用小功率激光烧结含有高分子粘接剂的金属粉末制成原型件,原型件经过脱脂，高温烧结，熔渗金属一系列后处理过程得到金属零件和模具。成型材料是金属粉末和高分子粘接剂的混合体。按一定的比例配比后将两种粉末混合均匀，用小功率激光束对混合粉末进行选择性扫描烧结。激光烧结时只是将高分子粘接剂熔化，熔化的高分子粘接剂将金属粉末粘结在一起得到原型件，再通过脱脂，高温烧结，熔渗金属等后处理过程得到金属零件和模具。  

　　在小功率激光间接成型金属零件和模具领域中，最有名的是美国的 DTM 公司，DTM 公司已经开发出多种成型材料，并已商业化。其开发的材料RapidSteel 2.0，烧结层厚最小可到 0.075mm，主要用来制造注塑模，其拉伸强度最大可达到 509Mpa，注塑模的寿命已达 10 万件/副，也可以用来制造用于 Al、Mg、Zn 压铸模，压铸模的寿命只有 200-500 件/副;LaserForm ST-100粉粒直径为 23-34μm，该材料主要用于制造注塑模，其拉伸强度可达到587Mpa，制成的模具生产了1万件塑料产品还没有磨损;利用CopperPolyamide制造模具，可在一天中完成模具的制造任务，制成的模具经机械加工、抛光后表面粗糙度最低可达 1.2μm。制成的模具可广泛用于PE、PP、PS、ABS、PC/ABS、玻璃增强的Polypropylene和其他常用塑料的注塑成型，但是，模具的寿命只有100-400件/副。

　　2.2 基于光固化立体造型技术的间接制模法  

　　立体光固化技术(Sterolithography Apparatus, SLA)技术是快速领域中最先出现的方法。它先将计算机CAD造型系统获得制品的三维模型,通过微机控制激光,按确定轨迹,对液态的光敏树脂进行逐层扫描,使被扫描区的液态树脂发生聚合反应形成一层薄的固态实体。一层固化完毕后,工作台下移一个切片厚度再固化新的一层树脂,并层层相互粘结,堆积出一个三维固体制件。再经过有关的硬化打光等处置,形成制件或模具。  

　　美国3D Systems公司研究的Quick Casting工艺,利用立体光刻(SLA)工艺获得模具的半中空RP原型，然后在原型的外表面挂浆，得到一定厚度和粒度的陶瓷壳层，紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉SLA半中空原型，得到中空的陶瓷型壳，即可用于精密铸造。浇铸后进行必要的机加工，得到达到精度要求的金属模具。3D Keltool工艺,首先用SLA原型翻制出硅胶模作为中间转换模，然后将混有树脂粘结剂的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后取出得到模具生坯件，通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构的模具熟坯件，最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度，通过简单机加工进一步保证模具的精度(可达0.04mm)，即得Keltool模具。SLA技术主要适合产品外型评估,概念模型的原型制造及制造熔模铸造中的模样。

　　2.3 基于叠层轮廓制造技术的间接制模法  

　　叠层轮廓制造技术(Laminated Object Manufacturing, LOM) 技术常以单面涂有热溶胶的纸为原料,激光按切片软件截取的分层轮廓信息切割工作台上的纸,成形一层平面轮廓,然后工作台下降一个纸厚,送到工作台的一层纸通过热压装置与下一层已成型的纸粘合在一起,再次进行激光切割,如此反覆便叠加出三维实体制件。  

　　LOM的工艺特点是成型速度快,成型材料便宜、成本低,无热应力、不需要后期固化处理、无收缩、膨胀、翘曲等问题,所以形状与尺寸精度稳定。缺点是成型后废料块剥离较费事,特别是复杂件内部的废料剥离,所以,此法难以建造复杂的零件。该工艺适用于建造砂型铸造用模型，单件精密铸造，与传统方法相比，缩短周期70%左右，降低成本60%左右，铝合金模具毛坯尺寸精度IT7 级以上，Ra3.2μm, 该铝合金模具需打磨可生产泡沫模样。华中科技大学研发的LOM快速成形系统成功生产出发泡模具及泡沫模样。

　　2.4 基于三维印刷成型技术的间接制模法  

　　3DP技术基于喷射的RP技术，用喷头选择性喷射粘结剂使粉末材料粘结成形的三维打印,是用微机控制一个连续喷墨印刷头,依据分层软件逐层选择性地在粉末层上沉积液体粘结材料,最终由顺序印刷的二维层堆积成一个三维实体。经过烧结浸渗，得到最终的模具。  

　　采用的材料：理论上任何粉末状材料，包括金属和陶瓷材料，表面硬度HRC30 左右，模具密度相对于理论密度的60%，强度低于铸件，适合于中小型模具，如美国Extrude Hone公司的3DP 快速成形系统。

　　2.5其他基于RP技术的间接快速制模法  

　　根据所要求模具寿命的不同,可以结合不同的传统制造方法来实现。如:用快速成型件作母模,可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料,构成软模具,或先浇注硅橡胶、环氧树脂模(即蜡模的压型) ,再浇注蜡模。对于寿命要求不超过500件的模具,可以用RP原型作母模、再浇注液态环氧树脂与其它材料(如金属粉)的复合物而快速制成的环氧树脂模。若是仅仅生产20～50件的注塑模,还可使用由硅胶铸模法(以RP原型件为母模)制作的硅橡胶模具。对于寿命要求在几百件至几千件(上限为3000～5000件)的模具,常使用由金属喷涂法或电铸法制成的金属模壳,它用快速成型件作母模,在其上浇注金属基合成材料、金属,构成硬模具(如各种铸造模、注塑模、蜡模的压型、拉伸模)。这种模具有良好的机械加工性能,可进行局部切削加工,从而获得更高的精度。  

　　3 结束语  

　　由快速成形制造技术直接堆积金属(耐磨金属和耐高温合金等)的难度决定了直接金属模具制造在未来的5～6 年内无法在快速模具领域中占据统治地位。这一期间内，主要还是间接快速模具技术即需要采用快速原型转换方法来制造模具的技术占统治地位。但是，随着大功率激光烧结、激光同轴送粉、三维焊接( 3DWelding)、均匀微滴喷射(UPS)以及其他激光净成型技术的完善，直接快速模具制造技术将逐渐成为主流。   

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