一泽姨、引言

　　模具是生產(chǎn)各種產(chǎn)品的重要工具补箍∝移撸快速制模是以快速成形技術(shù)為基礎(chǔ)的模具制造技術(shù)∏裘担快速成形技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的新興技術(shù)太汹。由于它對產(chǎn)品創(chuàng)新及其快速實(shí)現(xiàn)的推動作用很大，越來越受到人們的密切關(guān)注方较。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計窗项，到2002年為止，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)衷求，在全球已安裝了近萬臺快速成形設(shè)備帮声，歷年增長情況。

　　目前占主導(dǎo)地位的快速成形技術(shù)有4類：

　　(1)激光液態(tài)樹脂固化(SLA)翩汰，約占24%吹迎；

　　(2)絲材熔融涂覆(FDM)，約占20%；

　　(3)選擇性激光燒結(jié)(SLS)湃足，約占9%猩缺；

　　(4)薄材疊層制作(LOM)，約占9%剂户。

　　從快速成形應(yīng)用地區(qū)分布看泣爷，大約45%的快速成形機(jī)安裝在美國和加拿大，28%的快速成形機(jī)安裝在亞太地區(qū)奉狈，而歐洲只占25%左右卤唉。

　　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(jī)，但是快速制模和快速制造的研究和應(yīng)用尚處于起步階段仁期。

　　二桑驱、快速制模

　　快速制模技術(shù)，是將傳統(tǒng)的制模方法與快速成形技術(shù)相結(jié)合跛蛋，使模具制造周期短熬的、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好赊级，在精度和使用壽命方面能滿足生產(chǎn)要求押框。

　　快速制模有三類方法：母模制作、直接制模和間接制模理逊。

　　用各種快速成形工藝制做的原型件都可以作為母模橡伞。利用不同的轉(zhuǎn)換技術(shù)和方法，將母模復(fù)制成所需要的模具晋被。

　　例如兑徘，對小批量新產(chǎn)品試制，用快速成形制作母模后胀爸，可以很方便地復(fù)制成硅膠摸夜墓，然后借助真空澆注工藝千荡，可用硅膠模直接制造塑料零件锌德。

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

　　一輛摩托車的曲軸箱體試制過程(SLA母囊；耄→膠模→蠟?zāi)旧育！炶T造→鑄鋁件)此外捞勿，我國第一汽車集團(tuán)采用LOM速成形工藝制作原型件，表面進(jìn)行特殊耐磨外理后，直接代替木模鑄造發(fā)動機(jī)氣缸體也取得了非常良好的效果私周。采用LOM快速成形工藝制作的紙基模具如圖3所示贮爹。

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

　　(1) 將金屬粉末(青銅和碳化鎳腹躁，鋼)用激光燒結(jié)成密度約75%的模具零件，再在真空箱中把環(huán)氧樹脂滲入25%孔隙中南蓬，然后在160°C 烘箱中處理2小時纺非，硬化后進(jìn)行表面拋光。

　　(2) 將金屬粉末(鋼)與塑料粘結(jié)劑混合在一起集用激光燒結(jié)成密度約55%的模具零件(綠模)赘方，再在真空爐中把青銅滲入45%的孔隙中铐炫，最后進(jìn)行表面拋光。采用的這種工藝方法制成的沖壓模(直徑110mm)如圖4所示蒜焊，加工200個零件后磨損小于0.08mm倒信。

　　隨著新材料的不斷出現(xiàn)，選擇性激光燒結(jié)可以根據(jù)模具承受載荷和熱傳導(dǎo)的要求泳梆，燒結(jié)出由不同材料鳖悠、不同組織結(jié)構(gòu)組成的梯度模具。

　　間接制模還可用于制作電加工的電極捣睬，由快速成形工藝制作的原型件作為母模血洞，通過表面金屬化后，注入電極材料(銅或其他高導(dǎo)電材料)克蝶，然后將電極與母模分離僻携，即可獲得所需要的電極，再借助電加工工藝制造模具搔肉。

　　三疹返、直接金屬成形系統(tǒng)

　　近年來，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)蓉止，稱為直接金屬成形系統(tǒng)(Direct Metal System－DMS)÷啥澹現(xiàn)在已出現(xiàn)了10余種不同的直接金屬成形的新方法，其中大多數(shù)已經(jīng)作為商品投放市場溶绢。直接金屬成形系統(tǒng)就基本工作原理來看侦镜，可分為非熔融系統(tǒng)和熔融系統(tǒng)兩大類，盡管快速制造在生產(chǎn)率劫扶、零件尺寸翠霍、精度、表面粗糙度以及成本等問題還有待于進(jìn)一步解決，但是其前景非常廣闊寒匙，預(yù)計到2010年耐齐，直接金屬成形系統(tǒng)將會有很大的發(fā)展，

　　四蒋情、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(jié)工藝(SLS)的進(jìn)一步發(fā)展埠况，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(jié)工藝(Direct Metal Laser Sintering－DMLS)，改為樹脂粘接劑就稱為直接金屬三維打印工藝棵癣，直接金屬激光燒結(jié)工藝(DMLS)是德國EOS公司首先推出的辕翰，其代表機(jī)型為EOSINT M 250 Xtended。它可以從CAD文件直接制造注射摸模芯狈谊、壓鑄模和金屬零件喜命，材料采用新型鋼基粉末DirectSteel 20。由于粉末的顆粒度很細(xì)河劝，最小疊層厚度僅為20μm壁榕，因此，制成的模具或零件的精度很高赎瞎，一般僅需進(jìn)行簡單而短暫的微粒噴丸處理燕紊，無需拋光就可以作為注射模。這種快速制模方法稱為DirecTool癣吝，可在3天之內(nèi)就提供形狀復(fù)雜的注射模荔寞。

　　這種方法制造的模具如果采用拋光處理，可以達(dá)到近似鏡面的表面質(zhì)量体涡，成為高質(zhì)量的模具超瞧。此外，還可根據(jù)特殊要求轰窥，制造中間有冷卻孔道的注射模迈竖，改善導(dǎo)熱性能，縮短加工循環(huán)時間影其。

　　采用DirecTool制成的模具具有良好的機(jī)械性能脖煮，拉伸強(qiáng)度可達(dá)600N/mm2。實(shí)踐表明讲媚，用于注射模模芯可制作1萬～10萬件塑料件亏乞，用于壓鑄模具，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裆操、各種設(shè)備的金屬備件和小批量最終零件。3D和DTM公司也先后推出類似的直接金屬激光燒結(jié)工藝炉媒，只是商業(yè)名稱不同而已踪区。如3D公司的Laserform等。

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

　　五传泊、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(jìn)一步發(fā)展而來的鼠渺，它把紙基薄材改為鋁板、鋼板或塑料板眷细，然后采取粘接拦盹、固化或焊接工藝將不同薄材疊層而制成三維零件。

　　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)溪椎，它創(chuàng)造性地將LOM快速成形技術(shù)與數(shù)控銑削加工的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來普舆，推出一種新的快速制模方法。LMC疊層銑削中心是一個生產(chǎn)中心校读，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局極其緊湊速痹，主要由板材料庫、板材的提升和輸送裝置绳练、涂膠及化學(xué)處理裝置和銑削加工區(qū)域4個部分組成锦镶，LMC疊層銑削中心的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　為了疊層銑削成形的需要以及排屑方便枫昏，待加工板材不是安放在工作臺上面拉狸，而是安放在工作臺下面，銑頭及刀具朝上滤萝，好像整臺機(jī)床倒過來一樣稿纺。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。不同之點(diǎn)首先在于材料的種類和厚度碗履，從紙變?yōu)椴煌牧系陌宀?谭驮；其次不是用激光切割加工，而是用傳統(tǒng)銑削加工勾萌。

　　六齐秕、熔融直接金屬成形系統(tǒng)

　　熔融系統(tǒng)的特點(diǎn)是金屬在熔融狀態(tài)下成形。選擇性激光熔融工藝(Selective Laser Melting－SLM)與激光燒結(jié)工藝(SLS)的區(qū)別在于仙蛉，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笋敞、鋼模以及各種金屬材料及其合金的最終零件。

　　采用選擇性激光熔融工藝可以快速制造高精度形狀復(fù)雜注射模模芯荠瘪、沖壓模夯巷、薄壁零件以及醫(yī)學(xué)植入物等。

　　七哀墓、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趁餐，其特點(diǎn)是粉末不是存放在粉箱中喷兼，而是通過12根管道送到漏斗式的供粉器中，粉末隨著激光束一起后雷，在熔融狀態(tài)堆砌成零件季惯，

　　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诵原，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

　　(1) 模具的零件尺寸不受粉箱大小的限制臀匹；

　　(2) 可用于現(xiàn)有模具的改制和修理晋蛾；

　　(3) 可用于模具的表面硬化處理著拭；

　　(4)可制造復(fù)合材料的梯度模具特干，提高模具的機(jī)械性能和熱性能逸萄。

　　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(fù)雜的輕結(jié)構(gòu)零件

　　八爬蜜、結(jié)束語

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

　　快速制模和快速制造的基礎(chǔ)是快速成形技術(shù)蓄棘，它是基本特點(diǎn)是把三維實(shí)體切成為薄片，在兩維空間中加工材料危婚，然后再疊加成為三維零件褥欺。未來的發(fā)展趨勢是：

　　(1)研究開發(fā)新的成形方法÷椭伲快速成形與數(shù)控機(jī)床和其他傳統(tǒng)的加工方式相結(jié)合盔鬼，包括新的疊層成形方法，以提高制件的性能和精度质瘸，擴(kuò)展用于范圍女饺，降低生產(chǎn)成本。

　　(2)成形精度的提高磨爪。提高快速成形系統(tǒng)的速度儒恋、控制精度和可靠性、優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)黔漂，選用性能價格比高诫尽、壽命長的元器件，使系統(tǒng)更簡潔炬守，操作更方便牧嫉，可靠性更高，速度更快减途。

　　(3)數(shù)據(jù)處理速度和精度酣藻，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(zhuǎn)換過程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪廓失真观蜗。

　　(4)功能材料的直接快速成形臊恋，對功能材料進(jìn)行改造或預(yù)處理衣洁，使之適合于快速成形技術(shù)的工藝要求墓捻。從快速成形的特點(diǎn)出發(fā)抖仅，結(jié)合各種應(yīng)用要求，發(fā)展全新的快速成形材料砖第，特別是復(fù)合材料撤卢，納米材料、非均質(zhì)材料等瘤希。

　　(5)目前快速成形技術(shù)主要是采用激光作為能源昂贷。新的成形能源的研究也是快速成形技術(shù)的一個重要方向，例如超聲波答艘、電子束等拆翘。

　　(6)快速制模和快速制造技術(shù)的研究。一方面研究開發(fā)快速成形制件的表面處理技術(shù)息体，提高表面質(zhì)量和耐久性囊脉。另一方面研究開發(fā)與注塑技術(shù)、精密鑄造技術(shù)相結(jié)合的新途徑和新工藝狗悔，快速經(jīng)濟(jì)地制造金屬模具屉争、金屬零件和塑料件。 

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