1 引言

　　快速成形技術(shù)(RPM)是利用離散/堆積原理 (如凝固、膠接、焊接旅榨、燒結(jié)、聚合或其他化學(xué)反應(yīng))來制造零件的楚携。其工作過程是通過離散獲得堆積的路徑秃值、限制和方式，通過堆積將材料 "疊加"起來形成三維實(shí)體茅囱。首先在CAD造型系統(tǒng)中獲得一個(gè)三維CAD模型或通過測量儀器測取零件實(shí)體的形狀和尺寸哑逾，將其轉(zhuǎn)化成CAD模型;其次將CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，沿某一方向(通常為Z向)將CAD模型離散化浆英，進(jìn)行平面切片分層吹复。然后將離散得到的分層信息與成形工藝參數(shù)信息相結(jié)合，轉(zhuǎn)換為控制成形機(jī)工作的數(shù)控代碼批型，通過專用的CAM系統(tǒng)控制材料有規(guī)律地轧愧、精確地疊加起來 (堆積)而成一個(gè)三維實(shí)體制件∮詹常可見丐巫，從成形學(xué)角度來看，快速成形技術(shù)是采用的 "堆積成形"方式勺美。從數(shù)學(xué)角度來看递胧，快速成形技術(shù)的工作過程也可以看作是一個(gè)微分與積分的過程。從材料形態(tài)變化角度來看赡茸，快速成形技術(shù)是一個(gè)材料物質(zhì)分解與組合的過程谓着。所以快速成形技術(shù)是一種集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、精密機(jī)械坛掠、數(shù)控赊锚、激光技術(shù)和材料科學(xué)為一體的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的制造方法有著本質(zhì)的區(qū)別屉栓。由于RPM技術(shù)在制造產(chǎn)品過程中不會(huì)產(chǎn)生廢棄物 (如切屑冷卻潤滑液等)造成環(huán)境污染舷蒲，所以，也是一種綠色制造技術(shù)友多。由于RPM采用將三維形體轉(zhuǎn)化為二維平面分層制造的原理牲平，對物體構(gòu)成復(fù)雜性RPM為技術(shù)支撐的快速模具制造RT也正是為了縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，早日向市場推出適銷對路的锥约、按客戶意圖定制的多品種帖奠、小批量產(chǎn)品而發(fā)展起來的新型制造技術(shù)。由于產(chǎn)品開發(fā)與制造技術(shù)的進(jìn)步侮搭，以及不斷追求新穎创邦、奇特比紫、多變的市場消費(fèi)導(dǎo)向，使得產(chǎn)品 (尤其是消費(fèi)品)的壽命周期越來越短已成為不爭的事實(shí)丝您。所以蕾捣，工業(yè)發(fā)達(dá)國家已將RPM/RT作為縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間及模具制作周期的重要研究課題和制造業(yè)核心技術(shù)之一，我國也已開始了快速制造業(yè)的研究與開發(fā)應(yīng)用工作但珍。

　　2 典型快速成形工藝方法介紹

　　設(shè)計(jì)者將零件的物理模型通過三維CAD造型齐寻，或三維數(shù)字化轉(zhuǎn)化為零件的三維設(shè)計(jì) CAD模型，然后再對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理绎术，用分層軟件對其進(jìn)行分層切片刨吸，沿某一方向進(jìn)行平面 "分層"離散化，得到各層截面輪廓材诽。據(jù)此底挫，快速成形系統(tǒng)的成形按選擇固化方式 (立體光刻法、粉末燒結(jié)法岳守、薄層堆積法、熔融沉積和三維打印)進(jìn)行堆積成形碌冶。目前各種RPM方法有許多種湿痢，但較常用的主要有SLA,LOM,SLS,FDM,TDP等原理的快速造型系統(tǒng)。

　　2.1 立體光刻技術(shù)

　　SLA的工作原理扑庞，是以液態(tài)光敏樹脂 (例如一種特殊的環(huán)氧樹脂)為造型材料譬重，采用紫外激光器為能源:一種是氦一福激光器 (波長 325nm，功率15~50MW)罐氨，另一種是氨離子激光器(波長351~365nm臀规，功率 100~500MW )，激光束光斑大小為0.05~3mm栅隐。由CAD設(shè)計(jì)出三維模型后將模型進(jìn)行水平切片塔嬉，分成為成千上萬個(gè)薄層，生成分層工藝信息租悄，按計(jì)算機(jī)所確定的軌跡谨究，控制激光束的掃描軌跡，使被掃描區(qū)域內(nèi)的液態(tài)光敏樹脂固化诲操，形成一層薄固體截面后烟瞳，升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺下降一層高度，其上復(fù)蓋另一層液態(tài)光敏樹脂帮伙，接著進(jìn)行第二層激光掃描固化航娩，新固化的一層牢固地粘在前一層上，就這樣逐層疊加直到完成整個(gè)模型的制作鹰党。一般每個(gè)薄層的厚度0.07~0.4mm炫茄，模型從樹脂中取出后虹体，進(jìn)行最終硬化處理加以打光、電鍍问嬉、噴漆或著色等即可碱暗。

　　2.2 薄材疊層成形技術(shù)

　　薄材疊層成形技術(shù)是通過對原料紙進(jìn)行激光切割與粘合的方式來形成零件的。如圖2所示炮姑，其工藝是先將單面涂有熱熔膠的紙通過加熱輥加壓粘結(jié)在一起杖户，此時(shí)位于其上方的激光器按照分層CAD模型所獲得的數(shù)據(jù)，將一層紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓检痰，然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面包归，通過熱壓裝置，將下面已經(jīng)切割的層粘合在一起铅歼，激光再次進(jìn)行切割公壤。切割時(shí)工作臺連續(xù)下降，切割掉的紙片仍留在原處椎椰，起支撐和固化作用厦幅，紙片的一般厚度為0.07~0.1mm。該方法特點(diǎn)是成形速率高慨飘，成本低廉确憨。

　　2.3 選區(qū)激光粉末燒結(jié)技術(shù)

　　選擇性激光燒結(jié) (SLS)的成形方法是。在層面制造與逐層堆積的過程中瓤的，用激光束有選擇地將可熔化粘結(jié)的金屬粉末或非金屬粉末 (如石蠟休弃、塑料、樹脂沙圈膏、尼龍等)一層層地掃描加熱塔猾，使其達(dá)到燒結(jié)溫度并燒結(jié)成形;當(dāng)一層燒結(jié)完后，工作臺降下一層的高度稽坤，鋪下一層的粉末永炭，再進(jìn)行第二層的掃描，新燒結(jié)的一層牢固地粘結(jié)在前一層上土嚼，如此重復(fù)溃艺，最后燒結(jié)出與CAD模型對應(yīng)的三維實(shí)體。如圖3所示处淘。選擇性激光燒結(jié) (SLS)突出的優(yōu)點(diǎn)在于它是以粉末作為成形材料睡硫，所使用的成形材料十分廣泛，從理論上來說栈眉，任何被激光加熱后能夠在粉粒間形成原子間連接的粉末材料都可以作為SLS的成形材料趣闹。

　　2.4 熔融沉積成形技術(shù)

　　FDM的基本原理是:加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息作X--Y平面運(yùn)動(dòng)和高度Z方向的運(yùn)動(dòng)榛架，絲材 (如塑料絲箍负、石臘質(zhì)絲等)由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭烂辟，在噴頭中加熱、熔化麦回，然后選擇性地涂覆在工作臺上哨叙，快速冷卻后形成一層截面輪廓，層層疊加最終成為快速原型缤谎。用此法可以制作精密鑄造用蠟?zāi)Ｊ阋小㈣T造用母模等。

　　2.5 三維打印技術(shù) (TDF)

　　三維打印是一種不依賴于激光快速成形技術(shù)坷澡，其噴頭噴射出來的材料呈液態(tài)托呕，更像噴墨式打印頭那樣，形成三維實(shí)物频敛。TDP法可用的材料范圍可以很廣项郊，尤其是可以制作陶瓷模。

　　3 快速成形模具制造

　　由于模具是一種技術(shù)密集型產(chǎn)品斟赚，其設(shè)計(jì)制造涉及材料着降、工藝、設(shè)備等各種因素拗军，因此制模時(shí)間長任洞，一般中等復(fù)雜的注塑模、壓鑄模食绿、鍛模的設(shè)計(jì)與制造需要3個(gè)月或更長的時(shí)間侈咕。因此选浅，RPM技術(shù)一問世屏酌，就被迅速應(yīng)用于快速模具制造上∩屑迹快速制模 (RT)技術(shù)大都依據(jù)快速成形制作的實(shí)體模型即樣模 (母模)采用拷貝方式 (如金屬噴涂予问、電鍍、復(fù)合材料澆注潭耙、精鑄等)快速制造模具主要工作零件 (凸涕笛、凹模或模腔都宅、模芯)列汽，其制造周期一般為傳統(tǒng)的數(shù)控切削方法的1/5-1/10，而成本卻僅為其1/3-1/5愧橄≡桑快速成形模具制造分為直接法和間接法兩大類，可應(yīng)用于金屬模和非金屬模的制造瘪期。

　　3.1 直接制造金屬模具

　　短工期和小批量的零件制造的最好方法就是快速成形直接制造模具赤朽，能在幾天內(nèi)完成非常復(fù)雜的零部件模具的制造稿辙，而且越復(fù)雜越能顯示其優(yōu)越性。用選域激光燒結(jié)直接制作鑄造型殼气忠，是在計(jì)算機(jī)CAD環(huán)境中邻储，將設(shè)計(jì)好的零件三維實(shí)體模型直接翻成零件的反型，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚聿⒃O(shè)計(jì)相應(yīng)的澆冒口系統(tǒng)旧噪，得到型殼的CAD圖形吨娜。在SLS燒結(jié)過程中，型殼成為燒結(jié)實(shí)體舌菜，零件仍是未燒結(jié)的粉末萌壳，將殼體內(nèi)部的粉末清除干凈即是型殼。

　　3.1.1 直接制作鑄造型殼日月、滲金屬

　　用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)直接成形的金屬模具往往是低密度的多孔結(jié)構(gòu)袱瓮，可將低熔點(diǎn)相的金屬滲人后直接成形金屬模具。

　　3.1.2 直接沉積成形

　　制件的強(qiáng)度與精度問題一直是需要攻克的難題爱咬。以鋼尺借、鋼合金、鐵鎳合金精拟、欽鋁合金燎斩、鎳鋁合金為原料，采用激光技術(shù)甫蹄，將金屬直接沉積成形树吏，其生產(chǎn)的金屬模具強(qiáng)度超過了傳統(tǒng)方法的金屬模具。DTM公司開發(fā)了一種在鋼粉外表面包裹薄層聚醋的快速成形燒結(jié)材料缚粮，其金屬粉末已由碳鋼改變?yōu)椴讳P鋼漫介，所滲的合金由黃銅改變?yōu)榍嚆~，并且不像原來那樣需要中間加滲液態(tài)聚合物囊叛，其加工過程幾乎縮短了1/2赏碑。經(jīng)選域激光燒結(jié)工藝快速燒結(jié)成形后可直接制造金屬模具，這種模具含鋼400学蟀。鑄模使用壽命高達(dá)數(shù)萬件射愧。但這種方法工藝較復(fù)雜。

　　3.2 間接制造金屬模具

　　快速成形可用來間接制造模具户虐。間接制模法指制硬模具卓俱，或采用噴涂金屬法獲得輪廓形狀，或者制作母模復(fù)制軟模具等紊荞。對快速成形制造技術(shù)得到的原型表面進(jìn)行特殊的處理后代替木模庶艾，直接制造石膏型或陶瓷型，或者由原型經(jīng)硅橡膠模過渡轉(zhuǎn)換得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型澆注出金屬模具 落竹。

　　隨著成形制造技術(shù)的提高泌霍，這種間接制模工藝已基本成熟，其方法則根據(jù)零件生產(chǎn)批量大小而不同述召。常用的有硅橡膠模朱转，批量50件以下;環(huán)氧樹脂模，數(shù)百件以下;金屬冷噴涂模3000件以下;快速制作EPM電極加工鋼模5000件以上积暖。

　　3.2.1 金屬冷噴涂模

　　以快速成形原型為樣模藤为，將低熔點(diǎn)金屬充分霧化后以一定的速度噴射到樣模表面，形成模具型腔表面夺刑，背部充填鋁的環(huán)氧樹脂或硅橡膠復(fù)合材料支撐缅疟，將殼與原型分離，得到精密的金屬模具遍愿，也稱硬模存淫。這通常指的是用間接方法制造，加人澆注系統(tǒng)淌影、冷卻系統(tǒng)和模架構(gòu)成注塑模具游隅。其特點(diǎn)是工藝簡單，周期短脾韧，型腔及表面精細(xì)花紋一次同時(shí)形成腊的，省去了傳統(tǒng)模具加工中的制圖、數(shù)控加工和熱處理等昂貴聂突、費(fèi)時(shí)的步驟敷裁，不需機(jī)加工，模具尺寸精度高言刨，成本低泌景。美國愛達(dá)莎工程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)中心采用快速凝固工藝實(shí)現(xiàn)了注塑模的快速經(jīng)濟(jì)制造。該方法采用快速成形技術(shù)制作的樣件作為母樣粤唤，通過噴涂到母樣的金屬或合金熔滴的沉積制作模具甜海。其工藝過程為熔融的工具鋼或其他合金被壓人噴嘴搁鞭，與高速流動(dòng)的惰性氣體相遇后形成霧狀熔滴预锅，噴向并沉積到母樣上，復(fù)制出母樣的表面結(jié)構(gòu)形狀恢恼，再借助脫模劑使沉積形成的鋼制模具與母樣分離民傻，即可制出所需模具。母樣使用的材料取決于噴涂其上的合金材料场斑。對于噴涂工具鋼來說漓踢，可選用陶瓷材料，類似材料還有鋁氧粉可供選擇。

　　3.2.2 熔模制造法制造鋼模

　　此法分為制作單件和多件鋼鐵型腔喧半。

　　(1)制作單件鋼或鐵型腔奴迅。工藝過程為用快速成形系統(tǒng)制作原型母模，將母模浸入陶瓷砂液形成模殼挺据，在爐中固化模殼取具，燒去母模，澆注時(shí)在爐中面拋光扁耐，加人澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等后暇检，鑄造批量生產(chǎn)注塑模。鑄造鋁婉称、銅之類的失蠟澆注模也可以用此法制作块仆。

　　(2)制造多件鋼或鐵型腔。用快速成形系統(tǒng)制作原型母模甩幔。用金屬進(jìn)行表面噴鍍饶机，或用鋁基復(fù)合材料、硅橡膠栽乘、環(huán)氧樹脂整雷、聚氨醋澆注，構(gòu)成蠟?zāi)５某尚文７茨Ｔ诔尚文Ｖ杏萌刍灊沧⑾災(zāi)Ｖ榻梗災(zāi)Ｓ谔沾缮耙褐校纬赡ぬ濉Ｔ跔t中固化模殼股背，熔化蠟?zāi)！Ｔ跔t中預(yù)熱模殼并在模殼中澆注鋼或鐵型腔客止。進(jìn)行型腔表面拋光痹橙，加人澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等，鑄造批量生產(chǎn)注塑模巾甲。其中蠟?zāi)５某尚文涕克？煞磸?fù)使用，以便澆注多個(gè)蠟?zāi)Ｐ螅瑥亩圃於鄠€(gè)鋼或鐵型腔衅码。其優(yōu)點(diǎn)在于可以利用原型制造形狀非常復(fù)雜的零件。

　　3.3 直接或間接制造非金屬模具

　　單件小批量產(chǎn)品制造脊岳，可以利用快速成形技術(shù)和真空注塑技術(shù)逝段，直接制造樹脂模具，也可以間接制造模具割捅。

　　3.3.1 直接制造注塑模奶躯、型腔模

　　利用快速成形技術(shù)制造的原型直接作為模具型腔帚桩。用電化學(xué)原理，通過電解液使金屬沉積在原型表面嘹黔，背襯其他填充材料而制成的模具账嚎，具有復(fù)制好、尺寸精度高等特點(diǎn)儡蔓，適宜于形狀花紋不規(guī)則的型腔模具 (如人物造型)醉锄，及不易加工的奇特形狀的注塑模型腔 (如玩具和鞋模)。

　　3.3.2 利用原型直接作為汽化恼阒担或代替蠟?zāi)?

　　利用原型直接作為汽化目也唬或代替蠟?zāi)＿M(jìn)行熔模鑄造，簡化了制模工序构鸭，節(jié)省了制模時(shí)間麸河。

　　3.3.3 利用原型直接復(fù)制硅橡膠模

　　由于硅橡膠模有很好的復(fù)印性能并可承受一定的高溫，所以可以用產(chǎn)品原型當(dāng)作母模旬性，復(fù)制出硅橡膠模冰枯，據(jù)此可生產(chǎn)塑料件和低熔點(diǎn)金屬件。

　　3.3.4 間接制作硅橡膠模

　　以原型為樣件抒崖，采用硫化的有機(jī)硅橡膠澆注制作硅橡膠模及軟模庵窄。其工藝過程為制作原型一對原型表面處理，使其具有較好的表面粗糙度一固定放置原型婉烈、穆梗框一在原型表面施脫模劑一在抽真空裝置中抽出硅橡膠混合體中的氣泡一澆注硅橡膠混合體得到硅橡膠模具一硅橡膠固化一取出原型」铮可以用翻成的硅橡膠模具澆注聚氨醋零件聪磁。

　　3.3.5 間接制作樹脂型復(fù)合模具

　　以原型為基準(zhǔn)，以液態(tài)的環(huán)氧樹脂與有機(jī)或無機(jī)材料復(fù)合作為基體材料澆注模具是一種間接制模方法塑验，也稱橋模瞎暑，通常可直接進(jìn)行注塑生產(chǎn)与帆。其工藝過程為制作原型-表面處理-設(shè)計(jì)制作牧硕模框-選擇設(shè)計(jì)分型面-在原型表面和分型面刷脫模劑-膠衣樹脂澆注凹模-澆注凸模。采用環(huán)氧樹脂模具成本只有傳統(tǒng)方法的幾分之一玄糟，生產(chǎn)周期大大減小勿她。模具壽命不及鋼模，但比硅膠模高茶凳。一套環(huán)氧樹脂模具可生產(chǎn)1000^5000件產(chǎn)品嫂拴，可以滿足中小批量的生產(chǎn)需要播揪。

　　3.3.6 間接化學(xué)粘結(jié)陶瓷澆注型腔

　　用快速成形系統(tǒng)制作紙質(zhì)母模的原型贮喧，澆注硅橡膠環(huán)氧樹脂、聚氨醋等軟材料，構(gòu)成軟模箱沦，移去原型辩恼，在軟模中澆注化學(xué)粘結(jié)陶瓷 (陶瓷基復(fù)合材料)型腔，之后在 205℃下固化型腔谓形，并拋光型腔表面荸速，加人澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)后便制得小批量生產(chǎn)用注塑模。這種型腔的壽命約為300件柒谈。

　　4 結(jié)語

　　空前激烈的市場競爭迫使制造企業(yè)必須以更快的速度設(shè)計(jì)穴阱，制造出性能價(jià)格比高并滿足需要的模具∨直妫快速成形制造技術(shù)與傳統(tǒng)的的制造技術(shù)相比具有多方面的優(yōu)勢:新產(chǎn)品開發(fā)周期短爱蚣、成本低、產(chǎn)品設(shè)計(jì)柔性高等等讹毁〖渑冢基于 RPM的快速模具制造技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品重要的加工手段和工藝發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展前景让多。但目前由于該技術(shù)的成本還比較高卫银，加之制件的精度、強(qiáng)度和耐久性方面還不能完全滿足用戶的要求顶食，制約了該技術(shù)的普及推廣掐边。為此，需要研究人員的進(jìn)一步探索熄阻。

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