注塑模具快速成型技術實用性分析

蔣小波

1.西南科技大學，四川 綿陽 621010

2.婁底職業技術學院，湖南 婁底 417000

當前各種先進技術在各行業高速發展，各種先進技術的推廣應用也成為必然趨勢。在制造領域市場競爭日趨激烈的條件下，傳統制造業的設計和生產方式越來越難以滿足企業各方面對高新技術的要求。快速成型技術就是適應這種市場需求而發展起來的一種高新制造技術，近年來，國內外紛紛將快速成型技術應用到模具制造中，逐漸形成一種全新的快速模具制造工藝，而金屬塑料模具快速制造技術是當前國內外重要的應用研究方向之一，其中采用金屬粉末為材料加工的選擇性激光燒結成型技術成為目前世界上一些工業發達國家研究的熱點課題。

快速成型技術的基本原理是：任何三維零件都可以看作是許多等厚度的二維平面輪廓沿某一坐標方向疊加而成。首先通過軟件生成一個產品的三維CAD實體模型或曲面模型，用軟件將其轉換成STL文件格式，再用軟件從STL 文件切出設定厚度（等厚度或者不等厚度）的一系列片層，或者直接從以CAD文件切出一系列的片層，離散得到各層截面的輪廓，按照這些輪廓，激光束選擇性地將成型材料一層層的分層加工，然后逐層堆積成三維實體原型。因此，快速自動成型其實就是一種將計算機中建立的任意三維型體通過材料逐層疊加法直接制造。

由于快速成型技術可以把復雜的三維制造轉化為一系列簡單二維制造的疊加，因此，幾乎任意復雜的產品都可以在不用模具和工裝夾具的條件下進行加工，明顯地提高了生產效率和柔性制造的能力。

選擇性激光燒結技術與其它快速成型(RP)方法相比，最突出的優點在于它所采用的成型材料十分廣泛。從原理上說，只要加熱后原子間能夠形成粘結的粉末材料都可以成為SLS的成型材料。當前，可成功進行SLS成型加工的材料有很多，例如：金屬、陶瓷粉末、石蠟、高分子以及它們的復合粉末材料。由于SLS成型材料用料節省、品種多、適合多種用途、成型件性能分布廣泛，而且SLS不需要設計和制造復雜的支撐系統，因此，SLS的應用越來越廣泛。

選擇性激光燒結技術開辟了不用任何刀具就可以快速制作各類零件的方式，解決了復雜零件或模型不能或難于用常規方法制造的問題，快速成型技術具有較高的靈活性和迅速性，所以它幾乎在各個行業和領域中廣泛應用，包括醫療、文物保護、人體工程等行業也得到了普遍的應用。

目前，國際上快速成型設備的研究方向主要有2個：1）工業化大型系統；2）自動化的桌面小型系統。世界上開展RPM的研究的機構已有20多家。其中由于SLS技術具有成型速度快、材料選擇范圍廣、精度高、可適用多種用途的特點，得到更為迅速發展。目前，全世界快速成型機總銷售量的20%就是SLS成型機，國外相關機構對SLS技術的研究也取得了很多重要的研究成果，有很多機構也開始對SLS的后處理工藝進行深入研究。SLS原型件燒結結束后，由于燒結成型件中相對密度低，空隙較多，所以還需要進行相應的后處理，通過后處理可以進一步提高其熱學性能和機械性能。

但是，SLS技術的應用還有一定的缺點。SLS技術的基本功能要求較高的速度和精度，由于原形制件的速度和精度的影響因素有很多并且有些因素是相互關聯的，其主要因素有以下幾點：

1）制件精度的影響主要來自系統本身的工作誤差和加工參數取值范圍。系統工作誤差的內容包括：工作臺的Z向位置移動誤差、成型平面掃描運動誤差；系統工藝參數的內容包括：掃描間距、激光功率、激光掃描速度等。

2）STL使用的材料比其他快速成型方式的種類要多，由于材料的化學性能、物理對制件精度起著決定性作用。成型過程中由于材料狀態產生變化，會引起制件收縮、變形，翹曲，在制件內部產生殘余應力，從而影響制件精度。

3）現在絕大部分RP系統采用STL文件為數據輸入形式，SLT文件采用了很多小三角形平面去模仿三維CAD實體模型，再用切片軟件從STL文件所建立的立體模型上“切”出設定厚度的一系列的片層，而在建模和切片過程中都會產生誤差。

4）因為STL文件是用具有一定厚度片層疊加去逼近立體曲面的，通過層層疊加成型會造成STL技術制作的制件出現臺階效應。雖然越厚的切片層數少，所以成型速度越快。但是就出現越明顯的臺階效應，制備的制件精度越低；而當切片的厚度越薄，雖然成型速度越慢，但精度卻越高。所以，控制切片的厚度是制件精度與成型速度的重要因素。

快速成型技術在航空航天、汽車、機械、電子、電器、醫學、玩具、建筑、藝術品等許多領域都已獲得了廣泛應用，但大多僅作為原型件進行新產品開發及功能測試等，如何生產出能直接使用的注塑模具零件是快速成型技術面臨的一個重要問題。

通過研究表明，選擇性激光燒結技術是制造注塑模具最有效的手段，但還要通過進一步的研究，提高該工藝的技術水平并對其原型件進行一定的后處理，才可以獲得強度、精度均符合注塑工藝要求的合格金屬零件和注塑模具。

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