快速成型技術在模具制造業的應用

古 麗，陳 曄，馬 超

天津大學仁愛學院

快速成型技術在模具制造業的應用

古 麗，陳 曄，馬 超

天津大學仁愛學院

自20世紀90年代以來，模具制造業正經歷著一場技術革命，即從傳統的制造方法向快速模具制造方法轉變的革命。快速模具制造技術最大的特點是可在短期內制造出產品的模型或樣品，大幅降低成本，同時不受模型的幾何形狀的限制，對模具制造業的發展起了非常重要的推動作用。本文重點論述了快速成型技術的分類、特點及其在模具制造業的應用。

快速成型；模具；計算機輔助制造

自20世紀90年代以來，許多國家都在不斷推陳出新研究先進的制造技術以提高本國的制造水平。美國在1984年開發了世界上第一臺快速成型裝置來生產產品，該技術很快得到了發展。快速成型技術將計算機控制、材料科學、激光技術等先進制造技術進行集成，將計算機中模型的三維信息通過快速成型系統呈現在產品模型或樣品上，實現產品模型或樣品的快速制造。快速成型制造技術因其巨大的優勢在多個領域得到了快速發展，在模具制造領域也得到了廣泛的應用。

一、快速成型技術簡介

快速成型制造是基于離散堆積的原理進行累加式成型地。該技術將零件的CAD模型表面化處理后存儲成STL格式文件，按一定厚度對其進行分層處理，得到二維平面輪廓信息。再將這些信息生成加工路徑代碼，在計算機的控制下，選擇性地固化或燒結或切割一層層材料形成各層平面輪廓，累積疊加形成三維實體，最后進行處理生成原型。快速成型技術主要包括：光固化快速成型技術（簡稱SLA）；2.疊層實體制造技術（簡稱LOM）；選擇性激光燒結技術（簡稱SLS）；熔融沉積制造法（簡稱FDM）；三維打印快速成型工藝（簡稱3DP）。

快速成型技術主要有以下優點：可以自由成型制造；制造過程快速；添加式和數字化驅動成型方法；技術高度集成；突出的經濟效益；廣泛的應用領域。

二、快速模具制造技術

快速原型制造技術由于原材料使用范圍較窄,制作的模型還不能成為最終產品。但隨著其技術的不斷發展和模具制造業對快速制模需求的增加，快速成型技術正向模具制造方向發展，即形成了快速模具制造技術，如SLA、LOM、SLS、FDM、3DP、BPM等十幾種基于不同成形工藝的RPM技術已得到飛速發展。

將快速成型技術引入模具的開發與制造，利用快速原型為母模翻制模具進行生產產品的技術，稱為快速模具制造技術（Rapid Tooling，RT）。RT技術最突出的優點是降低了生產成本。與傳統模具加工方法相比，周期及費用都降低1/10~1/3左右。目前快速模具制造技術應用較多的是間接制模法。間接制模法根據模具材質的不同制作的模具又分為軟質模具和硬質模具兩大類。

1、軟質模具

使用軟質材料（如硅橡膠、環氧樹脂等）制造的模具即為軟質模具。其成本低、周期短，因而在新產品開發時的功能檢測和市場試運行，及國防等領域的單件生產方面受到高度重視。軟質模具適合于批量小、種類多的產品生產。

目前軟質模具制造方法主要有硅橡膠澆注法、樹脂澆注法、金屬噴涂法、電鑄法等。

（1）硅橡膠澆注法該法以RPM為母模，采用硫化的有機硅橡膠澆注制作模具。該法對于結構復雜、無拔模斜度制件的制作質量很高，制作周期短，但僅適用于單件或小批量制品的生產。

（2）環氧樹脂澆注法該法將準備好的澆注原料注入型腔中使其固化（完成聚合或縮聚反應），從而制得模具。當生產批量較大時適用此類方法，該法適合于注塑模、吸塑模等模具的制模。

（3）金屬噴涂法該法工藝非常簡單，先制作基體的快速原型，再把低熔點合金或金屬噴涂到原型上形成薄殼，最后填充復合材料做背襯得到模具。該法模具成本低、周期短，特別適于小批量、多品種制品的生產。

2、硬質模具

軟質模具適合于數量為50~5000件制品的生產，對于大批量制件的生產，仍需硬質模具（即鋼質模具）。利用RP原型制作硬質模具的方法主要有Keltool方法、NCC Tooling方法、熔模鑄造法、電脈沖加工法、陶瓷型精密鑄造法等。

（1）Keltool方法Keltool方法工藝路線為：利用SLA方法制作原型—制作硅橡膠過渡模—澆注混有塑料粘結劑的金屬粉末—加熱燒結形成高密度模坯—滲銅—打磨拋光得到模具。模具型腔表面硬度可達到45～50HRC。該法制模周期較長，材料價格較貴，運作成本高，工藝較復雜。該法適合生產低精度的模具，其尺寸精度為250±0.04mm。

（2）NCC Tooling方法該工藝是利用SLA方法制得的模型作為母型，在母型上用電鍍的方法形成1～5mm厚的鎳殼，再在鎳層上化學粘接陶瓷作背襯，最后去除母型得到模具。該法適用于批量生產，制件的精度與SLA工藝制件的精度同等級，可用于注塑模的制造。

（3）熔模精密鑄造法該法是利用RP原型或其翻制的軟質模具制作蠟模，再利用熔模精鑄工藝制作鋼質模具。熔模精密鑄造法的特點是幾乎所有的RP原型都可作為母模，該法可批量生產鋼質模具。

三、結論

以RP＆M原型作母模來翻制模具的快速模具制造技術，可快速形成高效、低成本、質優的批量生產，對于企業開發研制新產品的投資風險有了很大的保障，是目前國內模具制造業進行快速設計，快速實現規模化生產的主要手段。RP＆M有力的支持了同步工程的實施，為模具制造企業的發展帶來不可估計的收益。

[1]寧宇.基于快速成型技術的汽車燈具新產品開發[D].吉林:吉林大學,2005.

[2]王廣春,趙國群,楊艷.快速成型與快速模具制造技術.新技術新工藝,2000(9):30-32.

[3]金捷.基于快速成型技術的快速模具制造.熱加工工藝，2011,40(9):186-189

[4]張海鷗.快速模具制造技術的現狀及其發展趨勢.模具技術,2000(6):84-89.

[5]閆紅蕾.淺談快速原型制造技術在快速模具制造中的應用.農機工程,2015,35(6):22-23.

古麗（1986-），女，天津大學仁愛學院機械工程系，講師。