基于快速成形模具制造技術(shù)的研究

摘要： 快速成形制造技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造復(fù)雜形狀三維實(shí)體的技術(shù)。它能自動、快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定功能原型或直接制造出零件（包括模具）的技術(shù)，是制造技術(shù)的一次新的變革。當(dāng)前，快速成形制造技術(shù)核心是基于數(shù)字化的新型的成形技術(shù)，因此，它在要求周期短、效率高、精度高的模具制造中應(yīng)用較為廣泛，對傳統(tǒng)模具的加工具有很好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞： 快速成形 模具制造 CAD/CAM 快速模具制造

隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為市場競爭的主要矛盾。在這種情況下，自主快速產(chǎn)品開發(fā)（快速設(shè)計(jì)和快速工模具制造）的能力（成本和周期），成為制造業(yè)全球競爭的實(shí)力基礎(chǔ)。同時(shí)，制造業(yè)為滿足日益?zhèn)€性化的市場需求，又要求制造技術(shù)有較強(qiáng)的靈活性，能夠在不增加產(chǎn)品的成本的前提下，以小批量甚至單件組織生產(chǎn)。因此，產(chǎn)品開發(fā)的速度和制造技術(shù)的柔性就變得十分關(guān)鍵了。正是在這種社會背景下，快速成形制造技術(shù)（RPM－Rapid Prototyping Manufacturing）于20世紀(jì)80年代后期產(chǎn)生于美國，并迅速擴(kuò)展到歐洲及日本，被認(rèn)為是近年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。

1.概述

1.1快速成形制造技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。

快速成形（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，是用材料逐層或逐點(diǎn)堆積出零件的一種快速制造方法，又稱為快速出樣件技術(shù)或快速原型法。它與虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacturing）一起，被稱為未來制造業(yè)的兩大支柱技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)對縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用具有極其重要的意義，有人稱快速成形技術(shù)是繼NC技術(shù)后制造業(yè)的又一次革命。RP技術(shù)現(xiàn)今迅速地向快速成形制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）方向發(fā)展。

快速成形技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù)，其本身的發(fā)展也將推動相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，比較成熟的制造工藝有數(shù)十種。典型的有SLA立體光刻、LOM分層實(shí)體制造、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、FDM熔融沉積制造和3DP三維印刷等。快速成形制造技術(shù)是采用分層的思想來制作三維物體，根據(jù)構(gòu)成物體的方式不同，有以下幾種成形方式：添加成形、去除成形、受迫成形。

1.2快速成形制造技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)。

1.2.1 RPM的基本原理

RPM技術(shù)是綜合CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、電子技術(shù)和激光技術(shù)等于一體的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體成形制造的一體化系統(tǒng)技術(shù)，采用軟件離散-材料堆積的原理實(shí)現(xiàn)零件的成形過程，其原理如圖1所示。

RPM是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱，即利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成形機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。在計(jì)算機(jī)控制下，基于離散/堆積原理采用不同方法堆積材料，最終完成零件的成形與制造的技術(shù)。從成形角度看，零件可視為逐點(diǎn)、線、面的疊加而成，從CAD模型中離散得到點(diǎn)、線、面的幾何信息，再與快速成形的工藝參數(shù)信息結(jié)合，控制材料有規(guī)律地、精確地由點(diǎn)、線到面，由面到體地逐步堆積成零件。從制造角度看，它根據(jù)CAD造型生成零件三維幾何信息，控制三維的自動化成形設(shè)備，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成成形或零件，其工藝流程如圖2所示。

1.2.2 RPM的特點(diǎn)

RPM技術(shù)的特點(diǎn)主要有：高速柔性化，技術(shù)高度集成化，產(chǎn)品開發(fā)快速化，設(shè)計(jì)制造一體化，制造自由成形化，材料使用廣泛性。

1.3快速成形制造技術(shù)的分類與工藝方法。

1.3.1 RPM的分類

RPM技術(shù)在“分層制造”思想基礎(chǔ)上，根據(jù)分類的方法通?？煞譃榘床捎玫脑牧线M(jìn)行分類和按制造工藝原理進(jìn)行分類。

1.3.1.1按成形所采用的原材料分類

①液體的光、熱聚合與固化。液體聚合物的特性使其在激光、紫外光或其他熱源的照射線能迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)。采用這種方式的快速成形制造技術(shù)有立體印刷、全息干涉固化、光催化固化與光刻、激光束相干固化、熱聚合等。

②固態(tài)膜、片材的熔化。采用固體的膜或片材，用粘結(jié)劑或其他方法將切割下來的材料粘結(jié)而成形。常用的工藝方法有層合實(shí)體制造、膜聚合等。

③固體粉末的燒結(jié)與粘結(jié)。通過激光燒結(jié)或用粘結(jié)劑粘結(jié)將固體粉末聯(lián)接起來，未被照射的區(qū)域仍是粉末。采用這種制造工藝的有選擇性激光燒結(jié)、三維噴涂粘結(jié)等。

④固態(tài)絲、線材的熔化。采用固態(tài)的線材或絲材，通過加熱使其熔化成半流動狀，同時(shí)噴頭按要求的軌跡運(yùn)動，將材料沉積下來，堆積成所需的形狀，冷卻后凝固成固體而成形。常見的工藝方法有熔融沉積造型、焊接成形等。

1.3.1.2按制造工藝原理分類

①層合實(shí)體造型（LOM）。LOM工藝采用薄片材料，用激光束在剛粘結(jié)的新層上切割出零件截面輪廓。

②立體光刻（SLA）。SLA工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。

③選擇性激光燒結(jié)（SLS）。SLS工藝是采用粉末狀材料成形的。

④三維噴涂粘結(jié)（3DPG）。3DPG工藝采用粉末材料成形。其原理類似于噴墨打印機(jī)，因此又稱3D印刷。

⑤熔融沉積造型（FDM）。FDM工藝一般采用熱塑性材料。

1.3.2 RPM的工藝方法

1.3.2.1紙層疊法——薄形材料選擇性切割（LOM法）

計(jì)算機(jī)控制的CO₂激光束按三維實(shí)體模型每個(gè)截面輪廓線對薄形材料（如底面涂膠的卷狀紙、或正在研制的金屬薄形材料等）進(jìn)行切割，逐步得到各個(gè)輪廓，并將其粘結(jié)形成快速原型。用此法可以制作鑄造母?；蛴糜凇笆Ъ埦荑T造”。

1.3.2.2激光立體制模法——液態(tài)光敏樹脂選擇性固化（SLA法）

液槽盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在計(jì)算機(jī)控制的激光束（按照三維模型每個(gè)截面的輪廓線）照射下會很快固化形成一層輪廓，新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至成形完畢，即形成快速原型。而新推出的光照成形機(jī)（如3D Systems公司出產(chǎn)的SLA-300成形機(jī)）采用了Zephyr再涂層技術(shù)，最上面待成形樹脂用真空吸附式刮板結(jié)構(gòu)涂布供給，不需要沉入液態(tài)樹脂中，提高了速度，在制作的原型中不再有液態(tài)樹脂。用來制作塑料模、在熔模精密鑄造中替代蠟?zāi)！?/p>

1.3.2.3燒結(jié)法——粉末材料選擇性激光燒結(jié)（SLS法）

粉末材料可以是塑料、蠟、陶瓷、金屬或它們復(fù)合物的粉體、覆膜砂等。粉末材料薄薄地鋪一層在工作臺上，按截面輪廓的信息，CO₂激光束掃過之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體片層，逐層掃描燒結(jié)最終形成快速原型。用此法可以直接制作精鑄蠟?zāi)！?shí)型鑄造用消失模、用陶瓷制作鑄造型殼和型芯、用覆膜砂制作鑄型及鑄造用母模等。

2.快速模具制造技術(shù)（RT，Rapid Tooling）

目前，快速成形制造技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為RP成形間接制模（Indirect Rapid Tooling，IRT）和RP成形直接制模（Direct Rapid Tooling，DRT），主要用于制造注塑類模具、沖壓類模具和鑄造類模具等。通過將精密鑄造、中間軟模過渡法以及金屬噴涂、電火花加工、研磨等先進(jìn)模具制造技術(shù)與快速成形制造相結(jié)合，就可以快速地制造出各種金屬型模具來。如圖3所示為各種基于快速成形的RT工藝路線。

2.1直接制模技術(shù)DRT。

較好地解決模具加工成本高、周期長的方法就是采用快速成形直接制造模具。直接制模技術(shù)DRT是指利用RP技術(shù)直接制造出最終的零件或模具，然后對其進(jìn)行一些必要的后處理即可達(dá)到所要求的力學(xué)性能、尺寸精度和表面質(zhì)量。直接制模具有制造周期短、節(jié)省資源、發(fā)揮材料性能、提高精度、降低成本的特點(diǎn)。但它在模具精度和性能控制等方面比較困難，特殊的后處理設(shè)備與工藝使成形尺寸受到較大的限制。

2.2間接制模技術(shù)IRT。

間接指模技術(shù)IRT是指利用RPM技術(shù)首先制造模芯，然后用此模芯復(fù)制軟質(zhì)模具，或制作金屬硬模具，或者制作加工硬模具的工具。它通常以非金屬型為主，大多數(shù)情況下，非金屬成形無法直接作為模具使用，需要以RP成形作母模，通過各種工藝轉(zhuǎn)換來制造金屬模具。相對于直接制模來說，間接制模技術(shù)比較成熟。目前，制造業(yè)多數(shù)采用金屬模具間接制造工藝。

3.基于RPM的快速模具制造方法

3.1用快速成形件作母模，復(fù)制軟模具（Soft tooling）。

用快速成形件作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等軟材料，構(gòu)成軟模具，或先澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂模（即蠟?zāi)５膲盒停?，再澆注蠟?zāi)！Ｆ渲?，蠟?zāi)？捎糜谌勰ｈT造，而硅橡膠模、環(huán)氧樹脂模等可用作試制用注塑?；虻腿埸c(diǎn)合金鑄造模。

3.2用快速成形件作母模，復(fù)制硬模具（Iron tooling）。

用快速成形件作母模，或根據(jù)其復(fù)制的軟模具，可澆注（或涂覆）石膏、陶瓷、金屬基合成材料、金屬，構(gòu)成硬模具（如各種鑄造模、注塑模、蠟?zāi)５膲盒汀⒗炷＃?，從而批量生產(chǎn)塑料件或金屬件。這種模具有良好的機(jī)械加工性能，可進(jìn)行局部切削加工，以便獲得更高的精度，或鑲?cè)肭秹K、冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等。用金屬基合成材料澆注成的蠟?zāi)５膲盒?，其模具壽命可達(dá)1000—10000件。

3.3用快速成形系統(tǒng)制作電脈沖機(jī)床用電極。

用快速成型件作母體，通過噴鍍或涂覆金屬、粉末冶金、精密鑄造、澆注石墨粉或特殊研磨，可制作金屬電極或石墨電極。

4.結(jié)語

快速成形制造技術(shù)及其為基礎(chǔ)的快速制造技術(shù)在企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)中起著重要作用。它可以極大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)階段的成本，避免開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。它開創(chuàng)了模具快速制造的新時(shí)代，發(fā)展前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳子銀.模具數(shù)控加工技術(shù).北京：人民郵電出版社，2006.

［2］朱曉春.先進(jìn)制造技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］王隆太.先進(jìn)制造技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］李奇，朱江峰，江瑩.模具構(gòu)造與制造.北京：清華大學(xué)出版社，2004.