一、引言

　　模具是生產(chǎn)各種產(chǎn)品的重要工具绰垂∧掷玻快速制模是以快速成形技術為基礎的模具制造技術沮明。快速成形技術是20世紀80年代后期發(fā)展起來的新興技術窍奋。由于它對產(chǎn)品創(chuàng)新及其快速實現(xiàn)的推動作用很大施式，越來越受到人們的密切關注。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計执峰，到2002年為止涎花，世界上大約有近百家公司和研究單位開發(fā)了不同的快速成形系統(tǒng)，在全球已安裝了近萬臺快速成形設備饭磕，歷年增長情況瞒酪。

　　目前占主導地位的快速成形技術有4類：

　　(1)激光液態(tài)樹脂固化(SLA)，約占24%现伺；

　　(2)絲材熔融涂覆(FDM)测佛，約占20%；

　　(3)選擇性激光燒結(SLS)嘹据，約占9%影凿；

　　(4)薄材疊層制作(LOM)，約占9%茎贩。

　　從快速成形應用地區(qū)分布看第勉，大約45%的快速成形機安裝在美國和加拿大，28%的快速成形機安裝在亞太地區(qū)锅锨，而歐洲只占25%左右叽赊。

　　我國在高等院校和企業(yè)中大約已經(jīng)安裝150臺左右不同類型的快速成形機，但是快速制模和快速制造的研究和應用尚處于起步階段必搞。

　　二必指、快速制模

　　快速制模技術，是將傳統(tǒng)的制模方法與快速成形技術相結合恕洲，使模具制造周期短塔橡、成本低、經(jīng)濟效益好研侣，在精度和使用壽命方面能滿足生產(chǎn)要求谱邪。

　　快速制模有三類方法：母模制作炮捧、直接制模和間接制模庶诡。

　　用各種快速成形工藝制做的原型件都可以作為母模。利用不同的轉換技術和方法咆课，將母模復制成所需要的模具末誓。

　　例如，對小批量新產(chǎn)品試制书蚪，用快速成形制作母模后酝凄，可以很方便地復制成硅膠摸食迈，然后借助真空澆注工藝，可用硅膠模直接制造塑料零件冀远。

　　再如嘿惜，如果希望獲得金屬零件，則可通過硅膠模先真空澆注出熔模(易融塑料或蠟)峰毙，然后采用熔
模鑄造坯公，可制出一定數(shù)量的金屬零件。

　　一輛摩托車的曲軸箱體試制過程(SLA母氖П郏→膠目崞ィ→蠟模→失蠟鑄造→鑄鋁件)此外权洼，我國第一汽車集團采用LOM速成形工藝制作原型件硼琢，表面進行特殊耐磨外理后，直接代替木模鑄造發(fā)動機氣缸體也取得了非常良好的效果献蛔。

　　近年來瞄邪，采用金屬粉末選擇性激光燒結(SLS)工藝直接制作模具獲得越來越廣泛的應用。它可在快速成形機上直接將金屬粉末燒結成為模芯缠黍，而無需經(jīng)過任何中間鑄造工序弄兜，故稱為直接制模。目前主要有兩種不同的工藝方法：

　　(1) 將金屬粉末(青銅和碳化鎳瓷式，鋼)用激光燒結成密度約75%的模具零件替饿，再在真空箱中把環(huán)氧樹脂滲入25%孔隙中，然后在160°C 烘箱中處理2小時贸典，硬化后進行表面拋光视卢。

　　(2) 將金屬粉末(鋼)與塑料粘結劑混合在一起集用激光燒結成密度約55%的模具零件(綠模)，再在真空爐中把青銅滲入45%的孔隙中廊驼，最后進行表面拋光据过。采用的這種工藝方法制成的沖壓模(直徑110mm)，加工200個零件后磨損小于0.08mm妒挎。

　　隨著新材料的不斷出現(xiàn)绳锅，選擇性激光燒結可以根據(jù)模具承受載荷和熱傳導的要求，燒結出由不同材料酝掩、不同組織結構組成的梯度模具鳞芙。

　　間接制模還可用于制作電加工的電極，由快速成形工藝制作的原型件作為母模棋叁，通過表面金屬化后防弧，注入電極材料(銅或其他高導電材料)，然后將電極與母模分離铜部，即可獲得所需要的電極历恨，再借助電加工工藝制造模具氯也。

　　三、直接金屬成形系統(tǒng)

　　近年來啃栋，國外正在大力研究使用快速成形的疊層制造原理直接生產(chǎn)金屬模具和最終零件的系統(tǒng)饮估，稱為直接金屬成形系統(tǒng)(Direct Metal System－DMS)。現(xiàn)在已出現(xiàn)了10余種不同的直接金屬成形的新方法殴据，其中大多數(shù)已經(jīng)作為商品投放市場以称。直接金屬成形系統(tǒng)就基本工作原理來看，可分為非熔融系統(tǒng)和熔融系統(tǒng)兩大類论赋，

　　盡管快速制造在生產(chǎn)率烘幅、零件尺寸、精度牌辛、表面粗糙度以及成本等問題還有待于進一步解決钉答，但是其前景非常廣闊，預計到2010年杈抢，直接金屬成形系統(tǒng)將會有很大的發(fā)展数尿，

　　四、非熔融金屬粉末成形系統(tǒng)

　　非熔融直接金屬粉末成形系統(tǒng)的基本原理是選擇性激光燒結工藝(SLS)的進一步發(fā)展惶楼，把熱塑料粘接劑改為金屬粘接劑就稱為直接金屬激光燒結工藝(Direct Metal Laser Sintering－DMLS)右蹦，改為樹脂粘接劑就稱為直接金屬三維打印工藝，直接金屬激光燒結工藝(DMLS)是德國EOS公司首先推出的歼捐，其代表機型為EOSINT M 250 Xtended何陆。它可以從CAD文件直接制造注射摸模芯、壓鑄模和金屬零件豹储，材料采用新型鋼基粉末DirectSteel 20贷盲。由于粉末的顆粒度很細，最小疊層厚度僅為20μm剥扣，因此巩剖，制成的模具或零件的精度很高，一般僅需進行簡單而短暫的微粒噴丸處理钠怯，無需拋光就可以作為注射模佳魔。這種快速制模方法稱為DirecTool，可在3天之內(nèi)就提供形狀復雜的注射模福信。

　　這種方法制造的模具如果采用拋光處理惧仪，可以達到近似鏡面的表面質量，成為高質量的模具么歹。此外敛档，還可根據(jù)特殊要求珍喘，制造中間有冷卻孔道的注射模殿潜，改善導熱性能逐次，縮短加工循環(huán)時間。

　　采用DirecTool制成的模具具有良好的機械性能灌次，拉伸強度可達600N/mm2阶徒。實踐表明，用于注射模模芯可制作1萬～10萬件塑料件颈有，用于壓鑄模具虚育，可制作500件以上鑄鋁合金零件 DMLS工藝還可以用于制造金屬原型件、各種設備的金屬備件和小批量最終零件吁沉。3D和DTM公司也先后推出類似的直接金屬激光燒結工藝衣式，只是商業(yè)名稱不同而已。如3D公司的Laserform等檐什。

　　直接金屬三維打印是美國Extrude Hone集團Prometal公司推出的碴卧，它的原理與Z-Corp公司是基本一致的，主要區(qū)別在于采用金屬粉末材料和樹脂粘接劑乃正。Prometal直接金屬三維打印機的外觀和制成的零件住册。

　　五、非熔融金屬薄材成形系統(tǒng)

　　非熔融金屬薄材成形系統(tǒng)的基本原理是從紙基薄材疊層制造工藝(LOM)的進一步發(fā)展而來的瓮具，它把紙基薄材改為鋁板荧飞、鋼板或塑料板，然后采取粘接名党、固化或焊接工藝將不同薄材疊層而制成三維零件叹阔。

　　最令人感興趣的例子是德國Zimmermann公司的疊層銑削中心(Layer Milling Center)，它創(chuàng)造性地將LOM快速成形技術與數(shù)控銑削加工的優(yōu)點結合起來传睹，推出一種新的快速制模方法条获。LMC疊層銑削中心是一個生產(chǎn)中心，內(nèi)部結構的布局極其緊湊蒋歌，主要由板材料庫罪焰、板材的提升和輸送裝置、涂膠及化學處理裝置和銑削加工區(qū)域4個部分組成风承，LMC疊層銑削中心的外觀和內(nèi)部結構暴喂。

　　為了疊層銑削成形的需要以及排屑方便，待加工板材不是安放在工作臺上面家漂，而是安放在工作臺下面霜售，銑頭及刀具朝上，好像整臺機床倒過來一樣斯癞。疊層銑削成形過程的基本原理與紙基薄材疊層制造(LOM)一樣的矿退。不同之點首先在于材料的種類和厚度，從紙變?yōu)椴煌牧系陌宀?；其次不是用激光切割加工跪篷，而是用傳統(tǒng)銑削加工刊搁。

　　六、熔融直接金屬成形系統(tǒng)

　　熔融系統(tǒng)的特點是金屬在熔融狀態(tài)下成形桃姐。選擇性激光熔融工藝(Selective Laser Melting－SLM)與激光燒結工藝(SLS)的區(qū)別在于钻局，它不依靠粘接劑而是直接用激光束將粉末顆粒熔融而制成陶瓷零件、鋼模以及各種金屬材料及其合金的最終零件口柳。

　　采用選擇性激光熔融工藝可以快速制造高精度形狀復雜注射模模芯苹粟、沖壓模、薄壁零件以及醫(yī)學植入物等跃闹。

　　七嵌削、直接金屬熔覆成形系統(tǒng)

　　直接金屬熔覆成形(Direct Metal Deposition－DMD)也是采用激光束熔融金屬粉末，其特點是粉末不是存放在粉箱中望艺，而是通過12根管道送到漏斗式的供粉器中掷贾，粉末隨著激光束一起，在熔融狀態(tài)堆砌成零件荣茫，美國POM公司推出的三維直接金屬熔覆成形系統(tǒng)可以用于制造各種模具想帅，其主要優(yōu)點有：

　　(1) 模具的零件尺寸不受粉箱大小的限制；

　　(2) 可用于現(xiàn)有模具的改制和修理啡莉；

　　(3) 可用于模具的表面硬化處理港准；

　　(4)可制造復合材料的梯度模具，提高模具的機械性能和熱性能咧欣。

　　三維直接金屬熔覆成形系統(tǒng)可以制造出幾何形狀極其復雜的輕結構零件

　　八浅缸、結束語

　　模具是從鑄造業(yè)開始的。傳統(tǒng)的砂型鑄造木模和失蠟鑄造技術已經(jīng)有幾千年的歷史近沐，用于現(xiàn)在制造業(yè)的各種模具也歷經(jīng)幾百年庵坛，而快速制模和快速制造的出現(xiàn)才十幾年，正在處于發(fā)展階段象瓤。

　　快速制模和快速制造的基礎是快速成形技術恼睹，它是基本特點是把三維實體切成為薄片，在兩維空間中加工材料叨林，然后再疊加成為三維零件狞衷。未來的發(fā)展趨勢是：

　　(1)研究開發(fā)新的成形方法×霄辏快速成形與數(shù)控機床和其他傳統(tǒng)的加工方式相結合久耍，包括新的疊層成形方法，以提高制件的性能和精度肝慕，擴展用于范圍椭皿，降低生產(chǎn)成本掐悄。

　　(2)成形精度的提高。提高快速成形系統(tǒng)的速度刻渔、控制精度和可靠性帅刀、優(yōu)化設備結構，選用性能價格比高婿斥、壽命長的元器件，使系統(tǒng)更簡潔哨鸭，操作更方便民宿，可靠性更高，速度更快像鸡。

　　(3)數(shù)據(jù)處理速度和精度活鹰，研究開發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片方法，減少數(shù)據(jù)處理量以及由STL格式轉換過程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪廓失真只估。

　　(4)功能材料的直接快速成形志群，對功能材料進行改造或預處理，使之適合于快速成形技術的工藝要求蛔钙。從快速成形的特點出發(fā)锌云，結合各種應用要求，發(fā)展全新的快速成形材料吁脱，特別是復合材料桑涎，納米材料、非均質材料等灿躏。

　　(5)目前快速成形技術主要是采用激光作為能源烈瘸。新的成形能源的研究也是快速成形技術的一個重要方向，例如超聲波兽肮、電子束等范般。

　　(6)快速制模和快速制造技術的研究。一方面研究開發(fā)快速成形制件的表面處理技術郭血，提高表面質量和耐久性钟展。另一方面研究開發(fā)與注塑技術、精密鑄造技術相結合的新途徑和新工藝瓶答，快速經(jīng)濟地制造金屬模具困邪、金屬零件和塑料件。

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