引言

　　快速成形與制造(RPM：Rapid Prototvfolng & Manufacturing)是融激光胁编、材料科學(xué)呻惕、信息與控制技術(shù)等為一體的分層——層積技術(shù)酷鸦，堪稱是20世紀(jì)后半期制造技術(shù)最重大的進(jìn)展之一饰躲。RPM技術(shù)誕生10余年來已在汽車、家電臼隔、航空属铁、醫(yī)療等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。國(guó)外大型企業(yè)如通用躬翁、福特焦蘑、法拉利、豐田盒发、麥道例嘱、IBM、AT&T宁舰、Motorla等以及我國(guó)的一些著名企業(yè)拼卵，都積極在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中采用這項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的有關(guān)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)捅我、外觀訐審窑肾、裝配實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)分析灿打、光彈應(yīng)力分析玛纹、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等，成功地實(shí)現(xiàn)了面向市場(chǎng)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)敏捷化。而隨之興起的快速制模尤其是快速制造金屬模具(RMT：Rapid Metal Tooling)則是由新產(chǎn)品設(shè)計(jì)迅速形成高效瑞喧、低成本斩却、優(yōu)質(zhì)的批量生產(chǎn)并搶占市場(chǎng)的必由途徑，是RPM技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展并取得更大經(jīng)濟(jì)效益所面臨的關(guān)鍵課題藤汇，成為當(dāng)前RPM技術(shù)研究的國(guó)際前沿召摔。值此世紀(jì)之交，該技術(shù)被美國(guó)汽車工程雜志訐為全球15項(xiàng)重大技術(shù)之首蜻肄，受到全球制造業(yè)的廣泛關(guān)注际终。

　　1 快速制模技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)況

　　隨著多品種小批量時(shí)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(chǎng)，開發(fā)快速經(jīng)濟(jì)模具越來越引起人們的重視琴致，例如用環(huán)氧聚脂或其中混入金屬射桅、陶瓷、玻璃等增強(qiáng)材料制作的快速軟模膜钓，可用于上百件注塑成形以及汽車覆蓋件試制嗽交。其主要特點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短颂斜、價(jià)格便宜夫壁。但由于材料的導(dǎo)熱性和機(jī)械性能不高，這種模具難以用于快頻率的批量注塑成形以及金屬拉延件批量成形沃疮。水泥盒让、陶瓷制作的汽車覆蓋件模具還有待進(jìn)一步改善。相比之下司蔬，由于金屬材料具有優(yōu)良的綜合性能邑茄，金屬模具低成本快速制造成為RPN技術(shù)的努力目標(biāo)。世界先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家的RPM技術(shù)在經(jīng)歷了模型與零件試制俊啼、快速軟模制造階段后肺缕，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(guó)際RPN技術(shù)應(yīng)用研究開發(fā)的熱點(diǎn)授帕。

　　已提出的眾多RNT方法可分為由cAD數(shù)據(jù)及RP系統(tǒng)制作的快速原型或其他實(shí)物模型復(fù)制金屬模具的間接法和根據(jù)CAD數(shù)據(jù)直接由RP系統(tǒng)制造金屬模具的直接法兩大類同木。下圖表示主要的金屬模具快速制造方法的基本工藝路線。直接法雖然受到關(guān)注嫌寓，但由于尺寸范圍及精度膏逮、表面質(zhì)量、綜合機(jī)械性能等方面存在問題虎北，離實(shí)用化尚有相當(dāng)差距琢刮，目前最成熟的RNT法是間接法。

　　2.1 間接制模法

　　在直接制模法尚不成熟的情況下腋尘，目前具有競(jìng)爭(zhēng)力的RMT技術(shù)主要是粉末燒結(jié)耍烙、電鑄酌峻、鑄造和熔射等間接制模法。國(guó)內(nèi)外這方面的研究非嘲迳ⅲ活躍癞屹，有許多金屬模具間接快速制造技術(shù)的研究及應(yīng)用事例垒土。如3D systems公司的基于SLA原型的粉末成形燒結(jié)+浸滲快速復(fù)制(Keltool)工藝愤芝、CEMCOM公司的鍍鎳+陶瓷復(fù)合(NCC，Nickel-Ceramic Composite)工藝妥迷、Idaho National Engineering and Environmental]Lab的快速凝固工藝(RSP昆淡，Paoid Solidification Process)和Soligen Tech．Inc．公司的基于DSCP金屬薄殼成形系統(tǒng)的鑄造工藝、Badger Pattern公司的鋅合金噴涂+樹脂·金屬復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)工藝和東京大學(xué)的RHST(Raopid Hard Soray Tooling)以及日產(chǎn)汽車公司的熔射快速制造金屬模具法等刽严。

　　Keltool方法的工藝路線是：由SLA方法生成快速原型十硅橡膠翻模得到模具的負(fù)型--填充金屬粉末及粘結(jié)劑十放入高溫爐膛內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)昂灵、滲銅--得到最終模具。模具型腔經(jīng)過熱處理后表面硬度可以達(dá)到48~50HRC舞萄。用A6工具鋼制造的模具能夠生產(chǎn)數(shù)千件產(chǎn)品眨补，但此法制模過程時(shí)間長(zhǎng)，且工藝復(fù)雜倒脓。

　　NCC方法首先在SLA方法生成的快速原型上鍍上一層厚約1—5mm的鎳撑螺，然后在鎳質(zhì)鍍層上用化學(xué)反應(yīng)凝固陶瓷材料(CBC，Chermicallv Bonded Ceramic)作背襯補(bǔ)強(qiáng)崎弃，將原型分離后得到最終模具甘晤。這一方法具有與SLA工藝同等的精度，可用于注塑模制造饲做，但要解決電鍍工序時(shí)間長(zhǎng)和需處理廢液污染等問題线婚。

　　RSP方法是用高速隋性氣體將熔化的金屬液體霧化，噴射在石蠟盆均、塑料或陶瓷原型(通過SLA塞弊、SLS或LOM方法制造)上，生成一薄層金屬依堆，補(bǔ)強(qiáng)背襯并除去原型后得到模具吏辫。此法可制作注塑模具和沖壓模具，但是為了提高制件的表面質(zhì)量和機(jī)械性能需要進(jìn)行時(shí)效處理撑停，增加了制模時(shí)間劳威。

　　Badaer Pattern公司、東京大學(xué)和日產(chǎn)汽車公司熔射制模法的基本工藝都是在原型表面形成熔射層适唆，然后對(duì)熔射層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)并將熔射原型去除得到金屬模具鸯式。但Bad,erPattern公司只能熔射低熔點(diǎn)鋅合金，并采用樹脂·金屬復(fù)合材料對(duì)熔射層補(bǔ)強(qiáng)榛娶，致使模具的耐磨性和熱傳導(dǎo)性差用印，只能用于數(shù)百件注塑成形。東京大學(xué)開發(fā)的RHST方法則是以不銹鋼或碳化鎢合金等高融點(diǎn)材料為熔射材料，并以金屬材料對(duì)熔射層背襯補(bǔ)強(qiáng)做鸽，從而極大地改善了熔射模具的耐久性蒙棱，使其能用于表面光滑或帶天然精細(xì)皮革紋飾塑料產(chǎn)品的大批量注塑成型以及金屬薄板成形。日產(chǎn)汽車公司的熔射制模法也采用不銹鋼作為熔射材料范咨，并采用樹脂·金屬復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)故觅，已用于數(shù)萬至二十多萬件的轎車覆蓋件成形，但與RHST法相比渠啊，該法不能用于表面帶天然精細(xì)皮革紋飾耐久注塑模具的制造输吏，使用范圍受到限制。

　　在我國(guó)替蛉，關(guān)于金屬模具間接快速制造技術(shù)的研究受到高度重視贯溅，清華大學(xué)、華中理工大學(xué)在鑄造模方面取得了許多研究成果躲查；上海交大用精密鑄造法快速翻制出汽車輪胎等金屬模具它浅；西安交通大學(xué)采用樹脂原型、研磨石墨電極镣煮、電火花加工出(日質(zhì)模具姐霍；殷華公司及煙臺(tái)機(jī)械工藝研究所與煙臺(tái)泰利汽車快速模具公司合作采用電弧熔射鋅合金制作出快速經(jīng)濟(jì)注塑模具。

　　上述各種間接法都具有快速經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)怎静。但相比之下邮弹，鑄造法和粉末燒結(jié)法尺寸變化大，制模精度不高祟背。電鑄復(fù)制精度雖高沸芍，但制模時(shí)間長(zhǎng)、受電鑄材料種類限制且需處理廢液污染歇拦。熔射法具有模具材料種類和制模尺寸規(guī)格限制小累变、復(fù)制精度高等優(yōu)點(diǎn)。東京大學(xué)和日產(chǎn)公司開發(fā)的高融點(diǎn)材料熔射制模法極大地改善了模具的耐久性命画，因此在汽車囊弥、摩托車、家電和建筑裝飾等行業(yè)的模具尤其是目前市場(chǎng)急需的汽車內(nèi)外飾件和覆蓋件模具有廣闊的應(yīng)用前景唁狼。與直接法相Lk姚库，間接法目前雖在實(shí)用化方面占有優(yōu)勢(shì)，但由于中間工序較多且受材料性質(zhì)和制造環(huán)境溫度的影響铁魁，導(dǎo)致精度控制難度大被紊。因此，開發(fā)尺寸穩(wěn)定性好的制模材料及少工序間接制模法酵毕、實(shí)現(xiàn)工作環(huán)境的安定化是提高精度的關(guān)鍵丝仿，同時(shí)必須加快開發(fā)短流程直接制造金屬模具的方法蟆豫。

　　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)能省資源懒闷、發(fā)揮材料性能十减、提高精度、降低成本方面具有很大潛力愤估，從而受到高度關(guān)注帮辟。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灵疮、高精度和表面質(zhì)量能滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)條件的金屬模具织阅。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)壳繁；以等離子電弧等為熱源的熔積法(PDM：Plasma Detmsition Method震捣，或PPW：Plasma Powder Welding)；噴射成形的三維打印法(3DP：Three—Dimensional Printing)闹炉。

　　SLS選擇性激光粉末燒結(jié)法的工藝大致為：先在基底上鋪上一層粉末蒿赢，用壓輥壓實(shí)后，按照由CAD數(shù)據(jù)得到的層面信息渣触，用激光對(duì)薄層粉末有選擇地?zé)Y(jié)羡棵。然后將新的一層粉末通過鋪粉裝置鋪在上面，進(jìn)行新一層燒結(jié)玖生。反復(fù)進(jìn)行逐層燒結(jié)和層間燒結(jié)鹤莹，最終將未被燒結(jié)的支撐部分去除就得到與CAD形體相對(duì)應(yīng)的三維實(shí)體。LohnerA．等采用Texas大學(xué)的SLS工藝丑钱，用Ni—Cu粉末直接制造的模具坑遥，密度為理論值的80％，強(qiáng)度為100—200MPa呕漾，精度為0.1mm剧廓，平均粗糙度Ra為10—15um，可用于數(shù)百件注塑成形锋力。目前較為成熟的有兩種SLS工藝：一種是美國(guó)DTM公司的采用聚合物包覆金屬粉末的Ravid Tool工藝馍丑；一種是德國(guó)EOS公司的在基體金屬中混入低熔點(diǎn)金屬的Direct Tool工藝。Ravid Tool工藝采用激光燒結(jié)包覆有粘結(jié)劑的鋼粉吩饶，由計(jì)算機(jī)控制激光束的掃描路徑绷坠，加熱融化后的粘結(jié)劑將金屬粉末粘結(jié)在一起(非冶金結(jié)合)，生成約有45％孔隙率的零件唯乃，干燥脫濕后泥天，放入高溫爐膛內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)、滲銅骨田，生成表面密實(shí)的零件耿导，此時(shí)零件中的材料成分為65％的鋼和35％的銅声怔。經(jīng)過打磨等后處理工序，得到最終的模具舱呻。Direct Tool通過燒結(jié)過程使低熔點(diǎn)金屬向基體金屬粉末中滲透來增大粉末間隙醋火，產(chǎn)生尺寸膨脹來抵消燒結(jié)收縮，使最終的收縮率幾乎為零箱吕。此外也有嘗試制造為碳化物芥驳、鉆混合的模具。由于SLS直接成形體相對(duì)密度低茬高，要得到較高密度必須通過燒結(jié)兆旬、浸滲等后處理，這就增加了制模時(shí)間和成本怎栽，因此不能稱之為完全的DRMT丽猬，同時(shí)由于未熔顆料的粘結(jié)，表面質(zhì)量難以提高熏瞄。

　　LG中有代表性的Sandia National Lab的LMF(Laser Metal Formina)工藝是在激光熔敷基礎(chǔ)上開發(fā)的直接制模工藝脚祟，該工藝采用高功率激光器在基底或前一層金屬上生成出一個(gè)移動(dòng)的金屬熔池，然后用噴槍將金屬粉末噴入其中惊申，使其熔化并與前一層金屬實(shí)現(xiàn)緊密的冶金結(jié)合烂攒。在制造過程中，激光器不動(dòng)商麻，計(jì)算機(jī)控制基底的運(yùn)動(dòng)筝贮，直到生成最終的零件形狀。制件密度為理論密度的90％苗隔，強(qiáng)度接近于鑄件芙棚，機(jī)械性能較好，而且還可調(diào)整送粉組分實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化萄罐。但由于殘余熱應(yīng)力的影響和缺乏支撐材料调拳，精度難以保證，只適用于簡(jiǎn)單幾何形狀的模具吧玉，而且與SLS過程類似杀肩，由于未熔顆粒的粘結(jié)，Ra只達(dá)到12μm警畴。

　　3DP工藝類似噴墨打印機(jī)洞难，鋪粉裝置將一層粉末鋪在基底或前一層粉末上面，通過噴頭在粉末上噴射固化結(jié)合劑揭朝，層層堆積形成三維實(shí)體队贱，經(jīng)過燒結(jié)、浸滲潭袱，得到最終的模具柱嫌。Michaelss等采用MIT的3DP技術(shù)直接制造的模具密度相當(dāng)于理論密度的60％锋恬，強(qiáng)度低于鑄件，而且精度和表面粗糙度差编丘。

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

　　然而颓腮，上述方法都是基于堆積成形的原理底悍，不可避免要產(chǎn)生側(cè)表面階梯效應(yīng)，致使精度低谭某、表面質(zhì)量差蜡瓜，且存在綜合力學(xué)性能不高等方面的問題，目前尚多用于金屬零件的制造接竣。值得注意的是昨浆，Stanford大學(xué)的AmonC.H等人最近開發(fā)出形狀沉積制造(SDM)工藝，并研制出與CNC加工集成的裝置巢季。其工藝特點(diǎn)是利用焊接原理熔化焊材(絲狀)魔呈，并借助熱噴涂原理使超高溫熔滴逐層沉積成形，實(shí)現(xiàn)層間冶金結(jié)合沾谓。但因焊接弧柱的不穩(wěn)定委造、以及可控參數(shù)的協(xié)調(diào)性等問題，很容易出現(xiàn)翹曲和剝離均驶。采用CNC對(duì)外輪廊和表面精整昏兆，在解決RPM技術(shù)中共有的、因逐層堆積產(chǎn)生的側(cè)表面階梯效應(yīng)造成的精度和表面質(zhì)量問題方面做了有益的嘗試妇穴，但這種工藝目前尚局限于簡(jiǎn)單形狀金屬零件制造爬虱。

　　下面給出了幾種快速制模方法的有關(guān)性能參數(shù)。從表中可以看出腾它，間接制模法生產(chǎn)的模具表面質(zhì)量和尺寸精度都較直接法高跑筝，制作大型模具時(shí)死讹，間接法較直接法具有更大的優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)有RPMT技術(shù)尚不能直接快速制造能滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)要求的高精度曲梗、高性能回俐、高表面質(zhì)量的復(fù)雜形狀金屬模具。因此稀并，要解決直接快速制造復(fù)雜形狀金屬模具的精度仅颇、表面質(zhì)量和綜合力學(xué)性能的問題，有必要探索新的直接快速精細(xì)制模方法梗力。

　　3 展望

　　鑒于模具技術(shù)在制造業(yè)中所處的關(guān)鍵地位瘦肥，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(shì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　(1)快速軟模及陶瓷等模具的使用范圍受到限制筷品，壓鑄挟伯、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(biāo)絮眨；

　　(2)以快速原型等各種原型和鑄造拇支、熔射等技術(shù)相結(jié)合的間接法與直接法相比實(shí)用化方面占優(yōu)勢(shì)，但因工序增加和受材料性質(zhì)及制造環(huán)境的影響低白，致使精度控制難度大唬爹。開發(fā)尺寸穩(wěn)性好的制模材料、減少制模工序酣夫、實(shí)現(xiàn)工作環(huán)境的安定化是提高間接法制模精度的關(guān)鍵押赋；

　　(3)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(jī)械性能等方面尚難以滿足高精度若又、高表面質(zhì)量的耐久模具制造要求仙冕，且成本高、尺寸規(guī)格受限制秩彤。以低成本且適于精細(xì)加工及多種材料成形的堆積和去除成形技術(shù)集成叔扼，將是提高直接制模法的實(shí)用性、材料適應(yīng)性和表面精度的有效方法漫雷；

　　(4)快速制模法適合我國(guó)國(guó)情瓜富，具有廣闊的應(yīng)用前景。與高速銑削加工相比珊拼，在表面帶精細(xì)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(shì)食呻。要進(jìn)一步提高快速制模技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，必須開發(fā)加工數(shù)據(jù)生成較數(shù)控加工數(shù)據(jù)生成更容易澎现，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仅胞。

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