引言

　　快速成形與制造（RPM：Rapid Prototyping & Manufacturing）是融激光瞪栋、材料科學贮殊、信息與控制技術(shù)等為一體的分層——層積技術(shù)浩铺，堪稱是20世紀后半期制造技術(shù)最重大的進展之一螺城。RPM技術(shù)誕生10余年來已在汽車、家電红骏、航空躬伐、醫(yī)療等行業(yè)中得到廣泛應用。國外大型企業(yè)如通用星茶、福特吵墅、法拉利、豐田飒胜、麥道公遭、IBM、AT&T射严、Motorla等以及我國的一些著名企業(yè)禁灼，都積極在產(chǎn)品設計過程中采用這項技術(shù)，進行產(chǎn)品的有關(guān)設計檢驗驰坊、外觀訐審匾二、裝配實驗、動態(tài)分析拳芙、光彈應力分析察藐、風洞實驗等，成功地實現(xiàn)了面向市場的產(chǎn)品造型設計敏捷化舟扎。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)品設計迅速形成高效分飞、低成本、優(yōu)質(zhì)的批量生產(chǎn)并搶占市場的必由途徑睹限，是RPM技術(shù)進一步發(fā)展并取得更大經(jīng)濟效益所面臨的關(guān)鍵課題譬猫，成為當前RPM技術(shù)研究的國際前沿。值此世紀之交羡疗，該技術(shù)被美國汽車工程雜志訐為全球15項重大技術(shù)之首染服，受到全球制造業(yè)的廣泛關(guān)注别洪。

　　1、快速制模技術(shù)的發(fā)展簡況

　　隨著多品種小批量時代的逐步來臨和企業(yè)要求模具能保證新產(chǎn)品快速占領市場菱拙，開發(fā)快速經(jīng)濟模具越來越引起人們的重視敏栽，例如用環(huán)氧聚脂或其中混入金屬、陶瓷团尿、玻璃等增強材料制作的快速軟模瓦轧，可用于上百件注塑成形以及汽車覆蓋件試制。其主要特點是制造工藝簡單袭澎、生產(chǎn)周期短够堆、價格便宜。但由于材料的導熱性和機械性能不高鞭眠，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吩秫。水泥、陶瓷制作的汽車覆蓋件模具還有待進一步改善胞仅。相比之下蚪桐，由于金屬材料具有優(yōu)良的綜合性能，金屬模具低成本快速制造成為RPN技術(shù)的努力目標唁映。世界先進工業(yè)化國家的RPM技術(shù)在經(jīng)歷了模型與零件試制紫侵、快速軟模制造階段后，目前正向快速硬模即金屬模具制造（RMT）方向發(fā)展蜂大，RMT已成為國際RPN技術(shù)應用研究開發(fā)的熱點闽铐。

　　業(yè)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物模型復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。下圖表示主要的金屬模具快速制造方法的基本工藝路線奶浦。直接法雖然受到關(guān)注兄墅，但由于尺寸范圍及精度、表面質(zhì)量澳叉、綜合機械性能等方面存在問題隙咸，離實用化尚有相當差距，目前最成熟的RNT法是間接法成洗。

　　2.1間接制模法

　　在直接制模法尚不成熟的情況下五督，目前具有競爭力的RMT技術(shù)主要是粉末燒結(jié)、電鑄瓶殃、鑄造和熔射等間接制模法充包。國內(nèi)外這方面的研究非常活躍遥椿，有許多金屬模具間接快速制造技術(shù)的研究及應用事例基矮。如3D systems公司的基于SLA原型的粉末成形燒結(jié)+浸滲快速復制（Keltool）工藝、CEMCOM公司的鍍鎳+陶瓷復合（NCC舶卧，Nickel-Ceramic Composite）工藝熬慎、Idaho National Engineering and Environmental]Lab的快速凝固工藝（RSP恍像，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·金屬復合材料補強工藝和東京大學的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鳖建。

　　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型--填充金屬粉末及粘結(jié)劑十放入高溫爐膛內(nèi)進行燒結(jié)阵蔚、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到48~50HRC杈鸵。用A6工具鋼制造的模具能夠生產(chǎn)數(shù)千件產(chǎn)品，但此法制模過程時間長努墩，且工藝復雜吠冒。

　　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，然后在鎳質(zhì)鍍層上用化學反應凝固陶瓷材料（CBC引晌，Chermicallv Bonded Ceramic）作背襯補強焙恬，將原型分離后得到最終模具。這一方法具有與SLA工藝同等的精度赌骏，可用于注塑模制造琢窗，但要解決電鍍工序時間長和需處理廢液污染等問題。

　　RSP方法是用高速隋性氣體將熔化的金屬液體霧化晒杈，噴射在石蠟嫂伞、塑料或陶瓷原型（通過SLA、SLS或LOM方法制造）上拯钻，生成一薄層金屬帖努，補強背襯并除去原型后得到模具。此法可制作注塑模具和沖壓模具粪般，但是為了提高制件的表面質(zhì)量和機械性能需要進行時效處理拼余，增加了制模時間。

　　Badaer Pattern公司亩歹、東京大學和日產(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匙监，然后對熔射層進行補強并將熔射原型去除得到金屬模具。但Bad,erPattern公司只能熔射低熔點鋅合金小作，并采用樹脂·金屬復合材料對熔射層補強亭姥，致使模具的耐磨性和熱傳導性差，只能用于數(shù)百件注塑成形躲惰。東京大學開發(fā)的RHST方法則是以不銹鋼或碳化鎢合金等高融點材料為熔射材料致份，并以金屬材料對熔射層背襯補強，從而極大地改善了熔射模具的耐久性驳达，使其能用于表面光滑或帶天然精細皮革紋飾塑料產(chǎn)品的大批量注塑成型以及金屬薄板成形挣仅。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，并采用樹脂·金屬復合材料補強缆瑟，已用于數(shù)萬至二十多萬件的轎車覆蓋件成形胀司，但與RHST法相比峦爪，該法不能用于表面帶天然精細皮革紋飾耐久注塑模具的制造，使用范圍受到限制坚达。

　　在我國辅蜡，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，清華大學鹦卫、華中理工大學在鑄造模方面取得了許多研究成果迅撑；上海交大用精密鑄造法快速翻制出汽車輪胎等金屬模具；西安交通大學采用樹脂原型沥萄、研磨石墨電極驼功、電火花加工出（日質(zhì)模具；殷華公司及煙臺機械工藝研究所與煙臺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)濟注塑模具冒窍。

　　上述各種間接法都具有快速經(jīng)濟的特點递沪。但相比之下，鑄造法和粉末燒結(jié)法尺寸變化大综液，制模精度不高款慨。電鑄復制精度雖高，但制模時間長谬莹、受電鑄材料種類限制且需處理廢液污染檩奠。熔射法具有模具材料種類和制模尺寸規(guī)格限制小、復制精度高等優(yōu)點届良。東京大學和日產(chǎn)公司開發(fā)的高融點材料熔射制模法極大地改善了模具的耐久性笆凌，因此在汽車、摩托車士葫、家電和建筑裝飾等行業(yè)的模具尤其是目前市場急需的汽車內(nèi)外飾件和覆蓋件模具有廣闊的應用前景乞而。與直接法相Lk，間接法目前雖在實用化方面占有優(yōu)勢慢显，但由于中間工序較多且受材料性質(zhì)和制造環(huán)境溫度的影響爪模，導致精度控制難度大。因此荚藻，開發(fā)尺寸穩(wěn)定性好的制模材料及少工序間接制模法叮褐、實現(xiàn)工作環(huán)境的安定化是提高精度的關(guān)鍵，同時必須加快開發(fā)短流程直接制造金屬模具的方法硬碳。

　　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炕常、節(jié)能省資源、發(fā)揮材料性能祈前、提高精度贿魄、降低成本方面具有很大潛力，從而受到高度關(guān)注誓享。

　　目前的DRMT技術(shù)研究和應用的關(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)量秕颖，從而直接快速制造耐久角术、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。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）疚函；以等離子電弧等為熱源的熔積法（PDM：Plasma Detmsition Method持结，或PPW：Plasma Powder Welding）；噴射成形的三維打印法（3DP：Three—Dimensional Printing）枕厅。

　　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惋粟，用壓輥壓實后，按照由CAD數(shù)據(jù)得到的層面信息洲鸠，用激光對薄層粉末有選擇地燒結(jié)蛇损。然后將新的一層粉末通過鋪粉裝置鋪在上面，進行新一層燒結(jié)坛怪。反復進行逐層燒結(jié)和層間燒結(jié)，最終將未被燒結(jié)的支撐部分去除就得到與CAD形體相對應的三維實體股囊。LohnerA．等采用Texas大學的SLS工藝袜匿，用Ni—Cu粉末直接制造的模具，密度為理論值的80%稚疹，強度為100—200MPa居灯，精度為0.1mm，平均粗糙度Ra為10—15um内狗，可用于數(shù)百件注塑成形怪嫌。目前較為成熟的有兩種SLS工藝：一種是美國DTM公司的采用聚合物包覆金屬粉末的Ravid Tool工藝；一種是德國EOS公司的在基體金屬中混入低熔點金屬的Direct Tool工藝柳沙。Ravid Tool工藝采用激光燒結(jié)包覆有粘結(jié)劑的鋼粉岩灭，由計算機控制激光束的掃描路徑，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）赂鲤，生成約有45%孔隙率的零件撰蕴，干燥脫濕后，放入高溫爐膛內(nèi)進行燒結(jié)涛闺、滲銅鳖灰，生成表面密實的零件，此時零件中的材料成分為65%的鋼和35%的銅征离。經(jīng)過打磨等后處理工序潦春，得到最終的模具。Direct Tool通過燒結(jié)過程使低熔點金屬向基體金屬粉末中滲透來增大粉末間隙引继，產(chǎn)生尺寸膨脹來抵消燒結(jié)收縮材哺，使最終的收縮率幾乎為零。此外也有嘗試制造為碳化物保媒、鉆混合的模具苏狠。由于SLS直接成形體相對密度低惫借，要得到較高密度必須通過燒結(jié)、浸滲等后處理钻宠，這就增加了制模時間和成本堰洛，因此不能稱之為完全的DRMT，同時由于未熔顆料的粘結(jié)谷市，表面質(zhì)量難以提高蛔垢。

　　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上開發(fā)的直接制模工藝，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移動的金屬熔池迫悠，然后用噴槍將金屬粉末噴入其中鹏漆，使其熔化并與前一層金屬實現(xiàn)緊密的冶金結(jié)合。在制造過程中创泄，激光器不動艺玲，計算機控制基底的運動，直到生成最終的零件形狀鞠抑。制件密度為理論密度的90％饭聚，強度接近于鑄件，機械性能較好搁拙，而且還可調(diào)整送粉組分實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化秒梳。但由于殘余熱應力的影響和缺乏支撐材料，精度難以保證箕速，只適用于簡單幾何形狀的模具酪碘，而且與SLS過程類似，由于未熔顆粒的粘結(jié)茵箩，Ra只達到12μm解夜。

　　3DP工藝類似噴墨打印機，鋪粉裝置將一層粉末鋪在基底或前一層粉末上面脾询，通過噴頭在粉末上噴射固化結(jié)合劑匹忙，層層堆積形成三維實體，經(jīng)過燒結(jié)区呕、浸滲绣峰，得到最終的模具。Michaelss等采用MIT的3DP技術(shù)直接制造的模具密度相當于理論密度的60％海拾，強度低于鑄件掩软，而且精度和表面粗糙度差。

　　等離子熔積法（PDM）具有使用材料范圍廣眉脖、能獲得滿密度金屬零件的特點侮夸。起源于前德國Kruoo和Thvssen公司的埋弧焊接，能夠?qū)崿F(xiàn)大型或特大型容器的成形焊，其機械性能揍庄、組織優(yōu)于鑄鍛組織咆蒿，通過適當選擇工藝參數(shù)可以減少殘余應力和裂紋發(fā)生，提高堆焊高度蚂子。此外沃测，薄鋼板的LOM技術(shù)也可制造金屬模具，但疊層間需焊接等緊固處理食茎，且材料利用率低蒂破，薄板熱變形也影響成形精度和粗糙度。

　　然而别渔，上述方法都是基于堆積成形的原理附迷，不可避免要產(chǎn)生側(cè)表面階梯效應，致使精度低哎媚、表面質(zhì)量差喇伯，且存在綜合力學性能不高等方面的問題，目前尚多用于金屬零件的制造拨与。值得注意的是艘刚，Stanford大學的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加工集成的裝置截珍。其工藝特點是利用焊接原理熔化焊材（絲狀），并借助熱噴涂原理使超高溫熔滴逐層沉積成形宇涵，實現(xiàn)層間冶金結(jié)合惰疯。但因焊接弧柱的不穩(wěn)定、以及可控參數(shù)的協(xié)調(diào)性等問題突仆，很容易出現(xiàn)翹曲和剝離蔫横。采用CNC對外輪廊和表面精整，在解決RPM技術(shù)中共有的穆垦、因逐層堆積產(chǎn)生的側(cè)表面階梯效應造成的精度和表面質(zhì)量問題方面做了有益的嘗試刊濒，但這種工藝目前尚局限于簡單形狀金屬零件制造。

　　3辱郑、展望

　　鑒于模具技術(shù)在制造業(yè)中所處的關(guān)鍵地位埃的，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)展趨勢有以下幾個特點：

　≡愫（1）快速軟模及陶瓷等模具的使用范圍受到限制愕匪，壓鑄、注塑讳臣、沖壓等主導模具的金屬模具快速制造是RPN技術(shù)努力的目標涮较；

　　（2）以快速原型等各種原型和鑄造、熔射等技術(shù)相結(jié)合的間接法與直接法相比實用化方面占優(yōu)勢狂票，但因工序增加和受材料性質(zhì)及制造環(huán)境的影響候齿，致使精度控制難度大。開發(fā)尺寸穩(wěn)性好的制模材料闺属、減少制模工序慌盯、實現(xiàn)工作環(huán)境的安定化是提高間接法制模精度的關(guān)鍵；

　∥萁！（3）基于堆積成形原理的直接制模法在表面及尺寸精度润匙、綜合機械性能等方面尚難以滿足高精度、高表面質(zhì)量的耐久模具制造要求唉匾，且成本高孕讳、尺寸規(guī)格受限制。以低成本且適于精細加工及多種材料成形的堆積和去除成形技術(shù)集成巍膘，將是提高直接制模法的實用性厂财、材料適應性和表面精度的有效方法；

　⌒蘩稹（4）快速制模法適合我國國情穴眨，具有廣闊的應用前景。與高速銑削加工相比乓记，在表面帶精細復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)勢料悟。要進一步提高快速制模技術(shù)的競爭力，必須開發(fā)加工數(shù)據(jù)生成較數(shù)控加工數(shù)據(jù)生成更容易锌筝，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墙弛。

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