快速模具技術(shù)中的“快速”最初指的是模具能比傳統(tǒng)加工快得多地被制造出來巴俺。這依然是正確的。但在最近幾年中伪您，快速模具技術(shù)發(fā)展成為了能提供周期比傳統(tǒng)技術(shù)快出40%的制模技術(shù)诈猎。快速模具技術(shù)的用途由原型變換到充分生產(chǎn)用工裝订菇。

　　較新的快速模具方法能減少或消除由不均勻冷卻引起的變形和內(nèi)部張力消忘，同時通過從模具中厚的部分或其它難于冷卻的地方提取熱量，如凸起或筋條点骑，來提高生產(chǎn)力酣难。對較新高導(dǎo)熱率模具的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，成型周期中的冷卻時間可被設(shè)定至零黑滴，而工藝仍會產(chǎn)出可接受的部件。

　　傳統(tǒng)制模受到兩個因素的限制：一是標(biāo)準(zhǔn)模具鋼如H-13紧索、P-20或不銹鋼的導(dǎo)熱性一般袁辈，選用它們主要是為了硬度和防腐蝕。冷卻也受到模架中直接深孔鉆槽的可靠性所限制珠漂。傳統(tǒng)的制模業(yè)者可能嘗試著用鈹銅或其它導(dǎo)熱性強(qiáng)的銅合金嵌件晚缩、二次冷卻通道或較深模芯中的出水口、以及能進(jìn)入到模具主體內(nèi)部并吸取熱量的導(dǎo)熱管或“熱銷”媳危，來克服這些限制荞彼。

　　快速模具技術(shù)使冷卻流道能被設(shè)計(jì)的空間幾乎毫無約束

　　快速制模技術(shù)的供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出更好模具冷卻的兩條路線：從一開始就在模具中用上導(dǎo)熱性好的金屬冈敛，集合上符合部件表面的冷卻流道，而不論其形狀有多么不規(guī)則鸣皂∽デ矗快速模具供應(yīng)商聲稱這兩種方法中的一個或兩個都能做得比出水口或?qū)峁芨谩］^新快速模具方法一般將導(dǎo)熱金屬與模具鋼相結(jié)合维瑰，形成雙金屬結(jié)構(gòu)押恢，幫助提供比銅合金或單一的鋁要更好的耐磨性。

　　一些傳統(tǒng)制模用到的導(dǎo)熱合金有著高達(dá)30-40Rc的硬度值茶窍，接近于P-20號鋼穿侵。也有一些將銅合金和鋁預(yù)硬化至相似水平的方法。但是今天的快速模具技術(shù)在雙金屬結(jié)構(gòu)中把導(dǎo)熱性金屬與模具鋼相結(jié)合扫帝，提供的導(dǎo)熱率高撰征，硬度達(dá)50-80Rc，相當(dāng)于H-13號鋼或更好融乖。

　　關(guān)于硬質(zhì)但導(dǎo)熱性強(qiáng)金屬的新成果能對快速模具被接受程度產(chǎn)生所需要的提升仔蟀，快速造模已經(jīng)激發(fā)了很大的關(guān)注，但被制模業(yè)者或成型業(yè)者采用的情況一般米鹏。對于多數(shù)部件墓运，快速模具技術(shù)已經(jīng)在原型以及小規(guī)模生產(chǎn)中得到應(yīng)用。現(xiàn)在栗哥，所謂“橋”式模具應(yīng)用和大規(guī)模作業(yè)被快速模具所把握鞍歌。基本上跪腹，現(xiàn)在的目標(biāo)是要在較高的冷卻速率之下獲得相同的模具壽命褂删，而周期更快。

　　條條道路通往快速模具

　　快速模具技術(shù)的范圍包括了生產(chǎn)雙金屬模具或嵌件的四種截然不同之方法冲茸。一些形成具有模具鋼材料表面層的嵌件和導(dǎo)熱金屬材料的模芯屯阀。POM集團(tuán)提供“直接金屬沉積（dmd）”工藝，它是噴涂金屬粉末的同時用激光進(jìn)行熔化轴术∧阉ィ快速模具技術(shù)供應(yīng)商RSP公司利用的是“快速凝固工藝”，一種金屬噴涂方法逗栽。ExOne公司利用一種金屬印刷工藝來為D-M-E公司生產(chǎn)模具嵌件盖袭，產(chǎn)品名稱為“模熔（MoldFusion）”。

　　激光燒結(jié)技術(shù)被用來制造模具嵌件彼宠，它們不是分層的鳄虱，而是鋼與導(dǎo)熱金屬的混合物。

　　另外凭峡，所謂梯度模具或嵌件由一種金屬所制成拙已。EOS在制模時能操控導(dǎo)熱性模具鋼的密度與機(jī)械性能從而制成“殼－芯”結(jié)構(gòu)决记。

　　做出與部件表面輪廓相符合的模具冷卻流道對于所有這些快速模具技術(shù)都是常見的。這種冷卻有可能從傳統(tǒng)冷卻流道難于靠近的區(qū)域取走熱量枯誓，它可能會引起所需冷卻管線總數(shù)的降低谆胰，有可能節(jié)省裝模時間。

　　仿形冷卻與傳統(tǒng)冷卻管線相比贮殊，有著明顯的優(yōu)勢环胸。傳統(tǒng)管線被限制為圓孔與直管，位置被其它模具零件所限制夫咏。在一定范圍內(nèi)进裹，仿形冷卻管線可以是所想要的任何形狀，也可以如希望的進(jìn)行彎曲勿见。它們可以被布置在其它模具零件四周锥萧，出入口位置可以進(jìn)行有目的地確定好。

　　POM集團(tuán)的業(yè)務(wù)經(jīng)理Jerry Janson稱：“仿形冷卻對于我們所有顧客來說并不是萬能藥资村，所以我們與許多大客戶一起合作來達(dá)到成功寄旋。我們已經(jīng)對仿形冷卻展開了研究工作，所縮短周期時間的幅度由8%上升到40%为猩〉级”很多工作因?yàn)榕c顧客的不公開協(xié)議而被保密，但Janson引用了具有仿形冷卻的模具在汽車中的應(yīng)用這樣一個例子隔崎，它將塑件周期時間由54秒縮短至36秒今艺，降幅達(dá)三分之一。

　　不只是用于原型

　　快速模具技術(shù)正在規(guī)模生產(chǎn)中證明自己爵卒。POM集團(tuán)建造了直接金屬沉積模具虚缎，已經(jīng)生產(chǎn)出50萬-100萬只塑件。它的模具已被用于PC钓株、TPO和PP納米復(fù)合物的成型实牡。

　　EOS公司稱其“直接金屬激光燒結(jié)(dmls)”工藝被用于制造帶仿形冷卻的模具，來生產(chǎn)高爾夫球轴合。四腔模具運(yùn)行500萬次周期创坞、生產(chǎn)2000萬只球不會出現(xiàn)問題。直接金屬激光燒結(jié)也被用于幾十萬只玻璃填充PBT材料的插座的生產(chǎn)模具當(dāng)中受葛。

　　雙金屬壓條法

　　POM集團(tuán)的“直接金屬沉積技術(shù)”生產(chǎn)出金屬粉末材料密集度達(dá)99.8%的模具部件摆霉。該工藝于1998年被商業(yè)化，利用了5kw功率的激光與粉末狀模具鋼(D-2奔坟、H-13、P-20祸弥、不銹鋼或其它許多種類)偎旱。為了做出高導(dǎo)熱率的模具或零件船庐，第一步就是要由類似Ampco940鉻銅合金的導(dǎo)熱性金屬做出模芯。然后鋼殼通過直接金屬沉積方法被沉積在模芯上地捂。

　　雙金屬模具將高傳導(dǎo)性金屬與耐磨模具鋼結(jié)合在一起

　　該工藝開始于專門設(shè)計(jì)的噴嘴羽捻，有激光、金屬粉末和惰性氣體分別所用到的孔滤重，創(chuàng)造出無氧的環(huán)境酣疏。模具一層又一層地沿著出自CAD文件的模具路徑而建造。少量的粉末金屬通過噴嘴中的孔被注射到直徑1-2mm的地方鲫庆。當(dāng)粉末到達(dá)底層表面诬曙，激光束就同時把金屬熔化成一小灘，當(dāng)激光繼續(xù)移動時就會迅速冷卻下來掏榜。建造速度的范圍從2到9立方英寸/小時霹孙。模殼以0.5-1.25mm的層次被建造成接近網(wǎng)絡(luò)的形狀，0.007-0.010的過度材料必須以傳統(tǒng)打磨或電火花加工來弄完络兜。POM公司聲稱在模芯和模殼之間有著真正冶金學(xué)上的結(jié)合辐赞，這是依靠以金屬為基礎(chǔ)的“界面”或粘合層來實(shí)現(xiàn)的。

　　POM集團(tuán)提供五軸直接金屬沉積機(jī)器硝训，工作面積為1×2×0.75米响委。根據(jù)所用粉末金屬合金的不同，直接金屬沉積能生產(chǎn)出表面硬度高達(dá)62Rc的鋼質(zhì)模殼窖梁。因?yàn)檫@樣赘风，POM能利用其技術(shù)來修理損壞的模具。如果因?yàn)樗芗O(shè)計(jì)變化而對模具進(jìn)行修正窄绒，那么只能切削掉有待改變的區(qū)域贝次，新的形狀被直接以直接金屬沉積方法添加到模具中，并被加工成最終的尺寸彰导。不同于傳統(tǒng)的重造模具蛔翅，沒必要讓整個模具經(jīng)歷熱處理來硬化重造部分。而且位谋，直接金屬沉積可以被用來將仿形冷卻流道加入到老式模具的滑塊山析、嵌件等當(dāng)中，來縮短周期時間掏父。

　　美國肯塔基州路易斯維爾大學(xué)的快速原型中心擁有一套來自POM的直接金屬沉積系統(tǒng)羽嘉，并對鉻銅與H13號鋼的雙金屬模具進(jìn)行廣泛的測試，來評估模具壽命與整體性能鹏亥。單模腔模具運(yùn)用PP材料的冷卻時間為零反腺，將整體周期由27秒縮短至22秒，同時仍然生產(chǎn)出可接受的塑件。該中心也正在測試直接金屬沉積模具用于鋁質(zhì)鑄模的能力聊浊，其加工環(huán)境要苛刻得多薄好。

　　另一個關(guān)于雙金屬壓條法的快速模具工藝是RSP的“工藝”，這是一種金屬噴涂沉積方法斩缘，可生產(chǎn)99.5%-99.8%完全密集的模芯與模腔唁底。依靠立體平版印刷或其它快速原型工藝，快速凝固工藝使用了陶瓷模型泳隶。熔化的鋼被注入到噴嘴中他幢，在這里它會與惰性氣體的管道流相遇，氣體把18”-24”大小的小滴傳送到塑件表面灭大。小滴快速地冷卻订咆，并當(dāng)碰到模型時就會立即凝固下來。噴嘴能沉積材料的速度達(dá)到500lb/hr位仁。噴涂沉積過程逼真地模仿表面細(xì)節(jié)柑贞。為了形成殼/芯結(jié)構(gòu)，被沉積的鋼升溫聂抢，然后一層銅合金被噴涂在鋼的上面钧嘶。通過停止噴涂過程、放置銅管琳疏、裝入更多被噴涂的金屬有决，仿形冷卻管線就可以被添加到模具中。

　　對鋼層進(jìn)行噴涂首先使待建造的層面均勻空盼，這將從成型表面均衡地轉(zhuǎn)移熱量书幕。縱貫?zāi)＞叩你~層厚度不一樣揽趾，銅占據(jù)了嵌件的整個深度台汇。

　　鋼與銅之間的結(jié)合通過粗糙的噴涂技術(shù)而形成，所以鋼的敞開面極為粗糙篱瞎。當(dāng)銅被噴涂在鋼上時苟呐，它會滲透到隱蔽處和裂縫中，形成堅(jiān)固的物理性結(jié)合遥局，盡管不是一種冶金學(xué)上的結(jié)合付箩。

　　可以在幾分鐘內(nèi)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”的大小莽烫，并設(shè)計(jì)了生產(chǎn)能力更大的機(jī)器瞭谴。

　　RSP公司的工藝可以用上至少10種不同的模具鋼與更軟的材料。當(dāng)使用H13號鋼時汉渣，模具硬度能超過傳統(tǒng)熱處理H13號鋼的60Rc册压。這要?dú)w因于被噴涂小滴的快速淬火影響著顆料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度匪从。RSP模具也可以被熱處理與回火。

　　RSP正在對具有更高硬度的鉻含量高的金屬進(jìn)行評估易麻，也在測試Inconel职予，一種高溫型防腐蝕鎳/鉻/鐵合金。進(jìn)一步的發(fā)展也將在噴涂過程時提供混合不同金屬的能力秽祷。

　　快速模具不再只是用于原型了混合金屬表面

　　“選擇性激光燒結(jié)（SLS）”是由DTM公司于1996年商業(yè)性推出的模具工藝。DTM被三維系統(tǒng)公司所收購位俩。為實(shí)現(xiàn)快速模具矗寂，該工藝首先用聚合物粘合劑做出了鋼粉材料的“綠色”部件。該部件是通過粉末的快速燒結(jié)以薄層狀建造起來的勇蝙，作為源自CAD模型的激光跟蹤路徑沫勿。綠色部件被置于脫粘爐當(dāng)中，在這里粘合劑被燒掉味混。然后部件中的空間被熔化的銅與鋼的滲透所填充产雹。最后的步驟就是加熱燒結(jié)與最終部件的退火。

　　這個工藝一般產(chǎn)生出含60%的鋼與40%的青銅的均一部件翁锡，硬度達(dá)39Rc蔓挖。近網(wǎng)狀部件在脫粘步驟之后幾乎沒有經(jīng)歷皺縮。這是一個完全致密的部件馆衔，不怎么需要打磨之外的后加工瘟判。

　　三維系統(tǒng)公司為選擇性激光燒結(jié)提供兩種不銹鋼粉末：420號不銹鋼Laserform ST-100，和不銹鋼成分不一樣的Laserform ST-200角溃。新型Laserform A6粉末由低碳鋼粒與粘合系統(tǒng)所組成拷获。

　　該公司正在為選擇性激光燒結(jié)探尋新的滲透材料，包括鈹銅减细、鎳/硅/鉻/銅合金Ampco 940匆瓜、碳化鎢與鋁、硅青銅顷床，據(jù)稱能造出的模具比傳統(tǒng)模具的冷卻速度高出40%跪悼。

　　同時，三維金屬“印制”工藝?yán)昧藝娔焖僭图夹g(shù)的變體锨圣，創(chuàng)造出由粉末鋼層和熱固化聚合物型粘合劑所組成的模具陕绢。該工藝是由提供金屬沉積機(jī)械的Extrude Hone公司于2000年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的。

　　維印刷工藝把一層不銹鋼粉末在建模表面上展開骗采，然后利用噴墨型打印機(jī)頭將聚合物粘合劑的式樣沉積在粉末表面上闯揪。集成燈迅速地將鋼粉上的粘合劑干燥。另一層粉末與粘合劑然后就在第一層上沉積词趾，重復(fù)以上步驟避某。該部件被放置在燒結(jié)爐當(dāng)中，粘合劑于其中被燒掉，金屬顆粒被熔合在一起蚯垫。接著“綠色”被燒結(jié)部件被銅所滲透闲涕，實(shí)現(xiàn)完全的充分致密性。

　　結(jié)果就是近網(wǎng)狀的部件咳碰，一般是含60%的鋼與40%的青銅剖毯，強(qiáng)度、可壓縮性與硬度（約30Rc）都接近P20號鋼教馆。最大尺寸是8”×8”×6”逊谋。模具的基本公差小至±0.005”，在部件整個長度上的變化率是0.002土铺。該模具可以被切削胶滋、鉆孔、打磨悲敷、涂層或電鍍究恤。

　　ExOne公司也選擇對材料進(jìn)行燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)不用滲透的充分致密性后德。創(chuàng)造不含銅的全不銹鋼部件將硬度提高到了55Rc部宿，但它降低了熱導(dǎo)性，引起15%的線性皺縮探遵，而當(dāng)部件被滲透時的皺縮率只有1%窟赏。在任何情況下，模具在大約幾天時間內(nèi)就能被做出來箱季。

　　ExOne正在對幾種新的制模材料進(jìn)行評估棕健，包括模具鋼、不同的不銹鋼/銅組合雳雄、含有改進(jìn)硬化的添加劑的傳導(dǎo)性合金秕肚。對仿形冷卻的研發(fā)是一個重要焦點(diǎn)。ExOne公司用金屬印制工藝所產(chǎn)嵌件的近四分之三具有仿形冷卻匙久。

　　快速模具為人們所熟悉

　　冷卻增強(qiáng)的模具比傳統(tǒng)模具的價格要高于10%-30%袭吗。但是，快速模具供應(yīng)商稱成型業(yè)者將看到通過更快冷卻與更高生產(chǎn)力所帶來的快速投資回報(bào)趾马。但不是所有的快速模具公司稱他們的模具成本更高苏昨。RSP公司稱其工藝比加工模具更為便宜，所以出來的成本接近普通模具毁察。

　　高導(dǎo)熱性快速模具的雙金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一些在粘合赘湾、熱應(yīng)力、膨脹收縮系數(shù)尚染、可能分層等方面的問題律逼，它們有可能約束一些成型業(yè)者嘗試使用快速模具按辱。但快速模具供應(yīng)商們已經(jīng)對如何與何處使用他們的技術(shù)表現(xiàn)出謹(jǐn)慎，他們稱不懈的研發(fā)努力的目標(biāo)是要改進(jìn)他們的技術(shù)蛹头。

　　“我們正在研究改進(jìn)鋼與銅之間結(jié)合的方法顿肺，”RSP公司的Knirsch說，“我們有幾種模具將投入生產(chǎn)渣蜗，它將是在頂部有H13號模具鋼的非合金銅屠尊。我們擁有的數(shù)據(jù)顯示冷卻將快出兩成到三成∨鬯”

　　POM開發(fā)出了專用的粘合層知染，來減少兩種金屬間的分層，而同時像RSP的一些企業(yè)依賴于模具制造過程中金屬之間形成的物理性粘合斑胜。ExOne公司的三維金屬印刷工藝?yán)昧讼嗳菪圆牧希詼p少分層的機(jī)率嫌吠。銅合金與不銹鋼相容止潘，令銅滲入到不銹鋼的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

　　有些成型業(yè)者可能擔(dān)心復(fù)合金屬表面是否有足夠的硬度來應(yīng)對苛刻的成型作業(yè)辫诅。一個佐證是由選擇性激光燒結(jié)法（SLS）生產(chǎn)出來的模具凭戴。許多快速模具用戶不對模具進(jìn)行熱處理，而是對沒有問題的表面鍍鉻或鍍鎳炕矮。但是逆酣，電鍍增多了一個步驟，延長了模具交貨時間堡它。

　　3D Systems公司相信即使未電鍍的SLS模具也將表現(xiàn)出良好的耐磨性能殖锹。滲透性銅具有一定的耐磨性，可用作潤滑劑衍醒。一些用戶用該公司的模具已經(jīng)看到了比傳統(tǒng)材料更好的耐磨效果席磕。

　　為使快速模具達(dá)致成功，成型業(yè)者需要學(xué)會如何正確使用它們父驮。必須注意不要快速冷卻模具照窥，否則可能不會獲得恰當(dāng)?shù)奶畛洹＠美鋮s增強(qiáng)型方法的成型業(yè)者可能必須提高注射壓力和速度涎瓜，來調(diào)節(jié)成型工藝羹李，從而確保材料在模具內(nèi)到達(dá)填充的盡端。他們可能還必須提高樹脂的溫度慈宾。幾家供應(yīng)商正在研究計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)或其它有限元分析軟件猖驹，來開發(fā)針對雙金屬組成模具的工藝模式。

　　優(yōu)化熱導(dǎo)性模具的成型過程可能需要改變螺桿速度救鲤、模具頂出速度久窟、模具開合速度秩冈、熱嘴溫度、模溫和冷卻時間斥扛。

　　乏對仿形冷卻工作原理的了解只會令成型者更快地做出許多劣質(zhì)部件入问。隨著更多的模具表面接近冷卻流道，較薄部位可能太迅速地冷卻稀颁，然后就翹曲芬失。較好的方法是把冷卻流道移至靠近有熱點(diǎn)的模腔，并向后退一段合理距離匾灶。

　　另一個棘手問題是在快速模具中應(yīng)用模具鋼與熱導(dǎo)性金屬的什么有關(guān)性能棱烂。如果是對玻璃填充尼龍這樣的結(jié)實(shí)材料進(jìn)行成型，就需要有足夠的模具鋼來應(yīng)付磨損阶女。但加的模具鋼越多颊糜，傳熱系數(shù)就越小。POM公司稱他們一般在導(dǎo)熱性材料頂部應(yīng)用0.06”-0.1”的模具鋼秃踩。其它供應(yīng)商稱這要根據(jù)產(chǎn)品衬鱼、冷卻程度或顧客所需耐磨性而變化。

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