將RP技術應用于模具制造，即基于快速成形技術的快速制模技術(Rapid Tooling，RT)的出現，使模具快速制造技術有了新的發(fā)展猎之，由于其與生產實際緊密相連桶悍，并具有完全使用功能，因而被認為是今后一段時期內快速成形技術發(fā)展的主要方向谓虽。  

　　1 模具的直接快速制造  

　　直接快速模具制造是指利用不同類型的快速原型技術直接制造出模具本身捣卵，然后進行一些必要的后處理和機加工以獲得模具所求的機械性能、尺寸精度和表面粗糙度笤簸。主要工藝如下：  

　　1.1選擇性激光燒結  

　　選擇性激光燒結(selective laser sintering借陕， SLS)是激光束在計算機控制下，按照截面輪廓的信息沛愕，分層對輪廓實心部分所在的粉末進行燒結册安，逐步得到各層輪廓，以制備三維實體模型和產品的快速成形方法姑享。SLS直接快速制造要求利用大功率設備烫奏。  

　　美國3D Systems公司采用將金屬粉末和有機黏結劑相混合后的粉末燒結技術，同DTM公司聯合開發(fā)的Laserform ST鎳鉻鋼覆聚合物粉末,制成的注射模,其壽命可達5 萬件以上; 用Rapidsteel不銹鋼覆聚合物粉末罪褒，制成的注射模熱傳導性好, 硬度耙肖、韌性和耐磨性與傳統(tǒng)的工具鋼模具相當,壽命已達到10 萬件以上; 用CuPA銅聚合物混合粉末制成的注射模也具有良好的熱傳導性和一定的強度, 但在高溫下其強度會迅速降低而發(fā)生表面材料剝落, 壽命一般為100～400 件,但由于其價格相對低廉,因而在新產品試制中得到廣泛應用。  

　　1.2 激光凈形制造工藝  

　　激光凈形制造(Laser Engineering Net Shaping, LENS)工藝是基于激光熔覆的直接制造技術婿着，是20世紀90年代中后期發(fā)展起來的一種先進制造技術授瘦，它將快速成形(Rapid Prototyping, RP)技術與激光熔覆(Laser Cladding)技術相結合，采用高功率激光器在基底或前一層金屬上生成一個移動的金屬液態(tài)熔池竟宋，然后用噴槍將金屬粉沫噴入熔池中提完，使其熔化并發(fā)生冶金反應，并與前層緊密結合丘侠，直到生產最終的模具徒欣。  

　　通過調整激光功率和掃描速度，可以使成形零件的精度可以控制在0.12mm范圍內蜗字，表面粗糙度約10μm打肝。LENS技術不僅可以顯著縮短模具制造時間(可節(jié)省40%左右)，而且為模具制造業(yè)引進了一個新的設計概念——共形冷卻通道(Conformal Cooling channel)秽澳。共形冷卻通道是根據模芯和模腔形狀在模具內部設計的復雜冷卻液通道闯睹，由于通道完全隱匿于零件內部且形狀復雜，因此用傳統(tǒng)加工方法很難甚至根本無法制造出來担神。共形冷卻通道可以顯著改善模具的導熱狀況，延長模具使用壽命始花，而且還可以將模具的單件成形時間縮短10~40%入驮，使得生產效率大為提高。

　　1.3 形狀沉積制造  

　　形狀沉積(Shape Deposition Manufacturing, SDM)工藝在制造過程中茴辈，零件和支撐都是逐層同步生成抚送，而且新增加材料都是液態(tài)材料乞审，每層完成之后都是在計算機控制下進行切削加工和應力消除處理，層層疊加直到生成零件帕卦，最后通過腐蝕手段將支撐除掉鸠丸，另外為了提高精度和表面質量，在加工過程中引入數控加工處理漫从，即在每一層沉積完成之后赡脚，用數控銑對輪廓和表面進行修整，因此可以直接制造高密度的金屬零件或模具躁盗。SDM工藝制造的金屬模具突破了零件復雜程度的限制幸持，同時又是有較高的成型精度。  

　　Stanford University對該工藝進行了研究拗酌。Stanford大學將去除法和添加法結合在一起川砌，形成自己的形狀沉積制造技術，所用材料包括成形材料和支撐材料春哨，所成型的零件具有很高的精度荆隘。采用形狀沉積工藝，用不銹鋼和銅制造的雙金屬注射模具赴背，用銅做內層可以得到均勻的加熱和冷卻效果椰拒。

　　1.4三維印刷成型技術  

　　三維印刷成型(Three Dimensional Printing 3DP)技術采用滴液噴射的RP技術。是用微機控制一個連續(xù)噴墨印刷頭,依據分層軟件逐層選擇性地在粉末層上沉積液體粘結材料,最終由順序印刷的二維層堆積成一個三維實體癞尚。  

　　美國 Z Corporation 公司開發(fā)的ZCast粉末材料直接成形模具型腔耸三，可用于澆注低熔點金屬及合金。Sachs等研究了基于3DP技術的直接金屬噴射成型工藝浇揩，其原理是將金屬熔化后仪壮，采用某種方式振動熔腔，在微噴嘴處得到均勻的金屬液滴胳徽，然后在電場的作用下定點定時噴射出來积锅，堆積成形。其紅寶石噴嘴直徑為50μm养盗，試件層厚為100μm缚陷，能夠制作帶有共形冷卻道的任意復雜形狀的模具。

　　2 間接快速制模  

　　間接制模是通過RP 技術與傳統(tǒng)的模具翻制技術相結合制造模具必痢，其特點是一方面可以較好地控制模具的精度拱矫、表面質量、力學性能與使用壽命涤朴，另一方面也可以滿足經濟性的要求牌聋。  

　　2.1 基于SLS的間接制模法  

　　利用小功率激光燒結含有高分子粘接劑的金屬粉末制成原型件,原型件經過脫脂，高溫燒結茁升，熔滲金屬一系列后處理過程得到金屬零件和模具嫂前。成型材料是金屬粉末和高分子粘接劑的混合體污兄。按一定的比例配比后將兩種粉末混合均勻，用小功率激光束對混合粉末進行選擇性掃描燒結萝渐。激光燒結時只是將高分子粘接劑熔化午四，熔化的高分子粘接劑將金屬粉末粘結在一起得到原型件，再通過脫脂磨慷，高溫燒結支礼，熔滲金屬等后處理過程得到金屬零件和模具。  

　　在小功率激光間接成型金屬零件和模具領域中早假，最有名的是美國的 DTM 公司蠢挡，DTM 公司已經開發(fā)出多種成型材料，并已商業(yè)化凳忙。其開發(fā)的材料RapidSteel 2.0业踏，燒結層厚最小可到 0.075mm，主要用來制造注塑模涧卵，其拉伸強度最大可達到 509Mpa勤家，注塑模的壽命已達 10 萬件/副，也可以用來制造用于 Al柳恐、Mg伐脖、Zn 壓鑄模，壓鑄模的壽命只有 200-500 件/副;LaserForm ST-100粉粒直徑為 23-34μm乐设，該材料主要用于制造注塑模讼庇，其拉伸強度可達到587Mpa，制成的模具生產了1萬件塑料產品還沒有磨損;利用CopperPolyamide制造模具近尚，可在一天中完成模具的制造任務蠕啄，制成的模具經機械加工、拋光后表面粗糙度最低可達 1.2μm戈锻。制成的模具可廣泛用于PE艺踪、PP、PS彬膘、ABS滚讼、PC/ABS、玻璃增強的Polypropylene和其他常用塑料的注塑成型绝皇，但是绊域，模具的壽命只有100-400件/副。

　　2.2 基于光固化立體造型技術的間接制模法  

　　立體光固化技術(Sterolithography Apparatus, SLA)技術是快速領域中最先出現的方法呐猴。它先將計算機CAD造型系統(tǒng)獲得制品的三維模型,通過微機控制激光,按確定軌跡,對液態(tài)的光敏樹脂進行逐層掃描,使被掃描區(qū)的液態(tài)樹脂發(fā)生聚合反應形成一層薄的固態(tài)實體请状。一層固化完畢后,工作臺下移一個切片厚度再固化新的一層樹脂,并層層相互粘結,堆積出一個三維固體制件。再經過有關的硬化打光等處置,形成制件或模具皱耗。  

　　美國3D Systems公司研究的Quick Casting工藝,利用立體光刻(SLA)工藝獲得模具的半中空RP原型铝儒，然后在原型的外表面掛漿，得到一定厚度和粒度的陶瓷殼層极棵，緊緊地包裹在原型的外面抬邑，再放入高溫爐中燒掉SLA半中空原型，得到中空的陶瓷型殼嗤详，即可用于精密鑄造个扰。澆鑄后進行必要的機加工，得到達到精度要求的金屬模具葱色。3D Keltool工藝,首先用SLA原型翻制出硅膠模作為中間轉換模递宅，然后將混有樹脂粘結劑的工具鋼粉末灌注到中間模具中，待材料凝固后取出得到模具生坯件苍狰，通過燒結去除粘結劑办龄，得到內部疏松結構的模具熟坯件，最后經過滲銅處理增加材料的致密度和機械強度淋昭，通過簡單機加工進一步保證模具的精度(可達0.04mm)俐填，即得Keltool模具。SLA技術主要適合產品外型評估,概念模型的原型制造及制造熔模鑄造中的模樣翔忽。

　　2.3 基于疊層輪廓制造技術的間接制模法  

　　疊層輪廓制造技術(Laminated Object Manufacturing, LOM) 技術常以單面涂有熱溶膠的紙為原料,激光按切片軟件截取的分層輪廓信息切割工作臺上的紙,成形一層平面輪廓,然后工作臺下降一個紙厚,送到工作臺的一層紙通過熱壓裝置與下一層已成型的紙粘合在一起,再次進行激光切割,如此反覆便疊加出三維實體制件英融。  

　　LOM的工藝特點是成型速度快,成型材料便宜、成本低,無熱應力歇式、不需要后期固化處理驶悟、無收縮、膨脹材失、翹曲等問題,所以形狀與尺寸精度穩(wěn)定找塌。缺點是成型后廢料塊剝離較費事,特別是復雜件內部的廢料剝離,所以,此法難以建造復雜的零件。該工藝適用于建造砂型鑄造用模型坊秉，單件精密鑄造相誓，與傳統(tǒng)方法相比，縮短周期70%左右前忿，降低成本60%左右贡按，鋁合金模具毛坯尺寸精度IT7 級以上，Ra3.2μm, 該鋁合金模具需打磨可生產泡沫模樣扁奢。華中科技大學研發(fā)的LOM快速成形系統(tǒng)成功生產出發(fā)泡模具及泡沫模樣惫吝。

　　2.4 基于三維印刷成型技術的間接制模法  

　　3DP技術基于噴射的RP技術，用噴頭選擇性噴射粘結劑使粉末材料粘結成形的三維打印,是用微機控制一個連續(xù)噴墨印刷頭,依據分層軟件逐層選擇性地在粉末層上沉積液體粘結材料,最終由順序印刷的二維層堆積成一個三維實體逻袭。經過燒結浸滲每镀，得到最終的模具。  

　　采用的材料：理論上任何粉末狀材料，包括金屬和陶瓷材料克矿，表面硬度HRC30 左右李臀，模具密度相對于理論密度的60%，強度低于鑄件冷离，適合于中小型模具吵冒，如美國Extrude Hone公司的3DP 快速成形系統(tǒng)。

　　2.5其他基于RP技術的間接快速制模法  

　　根據所要求模具壽命的不同,可以結合不同的傳統(tǒng)制造方法來實現西剥。如:用快速成型件作母模,可澆注蠟痹栖、硅橡膠、環(huán)氧樹脂瞭空、聚氨脂等軟材料,構成軟模具,或先澆注硅橡膠揪阿、環(huán)氧樹脂模(即蠟模的壓型) ,再澆注蠟模。對于壽命要求不超過500件的模具,可以用RP原型作母模咆畏、再澆注液態(tài)環(huán)氧樹脂與其它材料(如金屬粉)的復合物而快速制成的環(huán)氧樹脂模南捂。若是僅僅生產20～50件的注塑模,還可使用由硅膠鑄模法(以RP原型件為母模)制作的硅橡膠模具。對于壽命要求在幾百件至幾千件(上限為3000～5000件)的模具,常使用由金屬噴涂法或電鑄法制成的金屬模殼,它用快速成型件作母模,在其上澆注金屬基合成材料鳖眼、金屬,構成硬模具(如各種鑄造模黑毅、注塑模、蠟模的壓型钦讳、拉伸模)矿瘦。這種模具有良好的機械加工性能,可進行局部切削加工,從而獲得更高的精度。  

　　3 結束語  

　　由快速成形制造技術直接堆積金屬(耐磨金屬和耐高溫合金等)的難度決定了直接金屬模具制造在未來的5～6 年內無法在快速模具領域中占據統(tǒng)治地位栖挣。這一期間內学蛤，主要還是間接快速模具技術即需要采用快速原型轉換方法來制造模具的技術占統(tǒng)治地位。但是夫次，隨著大功率激光燒結夭菲、激光同軸送粉、三維焊接( 3DWelding)搔冈、均勻微滴噴射(UPS)以及其他激光凈成型技術的完善摇轨，直接快速模具制造技術將逐漸成為主流。   

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