基于快速成型技術的快速模具制造

莊志雄

（廈門哈隆電子有限公司，福建 廈門 361000）

基于快速成型技術的快速模具制造

莊志雄

（廈門哈隆電子有限公司，福建 廈門 361000）

摘要：快速成型技術是一種新的技術，應用在模具制造中，節約了模具制造的時間及成本，本文討論了快速成型技術的工藝方法。

快速成型技術；快速模具制造；應用

1.快速成型技術

1.1 含義

快速成型技術英語名：Rapid Prototyping & Manufacturing，縮寫為RP，是20世紀80年代末90年代初興起并迅速發展起來的新的先進制造技術。其特點是可以不需機加工設備或者模具即可快速制造形狀極為復雜的工件，從而在小批量產品生產或新產品試制時節省時間和初始投資?？焖俪尚图夹g（RP）的成型原理是基于離散-疊加原理而實現快速加工原型或零件?？焖偌庸ぴ秃涂焖偌庸ち慵傅牡牟⒉皇且环N東西，并且其作用也是完全不同的。前者指的是能代表一切性質和功能的實驗件，一般用于新產品的測試，便于評價，而且制作的數量也是比較少的。而后者值得是最終產品，是可以直接利用的。但是快速加工原型和快速加工零件在生產中使用得都比較多，兩者具有不同的作用，生產商會根據生產的具體要求來選擇其中一種，或者兩種一起使用。

快速成型技術（RP）的成型過程主要分為以下4步：

第一步：通過計算機的CAD軟件，建立好將要生產的東西的三維模型，這是最關鍵的一步，沒有模型什么都做不了，并且制作的模型一定要完整，便于接下來的操作。

第二步：在計算機中，對建立好的模型進行分層切片，雖然這只是一個模擬過程，但是還是需要盡可能貼近實際，要沿同一個方向進行切片，不能每次的切片方向都不同，這樣不利于生產，會增加生產過程中不必要的麻煩。

第三步：把在計算機內切出來的每一個薄片的信息傳遞給快速成型的系統中去，并控制這個系統把原材料逐層加工，逐層疊加，最后形成三維實體。

第四步：再經過一系列的加工處理，最后就形成實際零件了。

經過20多年的發展，快速成型技術（RP）有較大發展，應用非常廣泛，尤其在汽車制造，航天航空，建筑，家電，衛生醫療及娛樂等領域有強大的應用。

1.2 分類

目前基于快速成型技術（RP）開發的工藝種類較多，可以分別按所用材料劃分，成型方法劃分等。利用激光或其他光源的成型工藝的成型：立體光造型（簡稱SL），或光固化快速成型；疊層實體造型（簡稱LDM）選擇性激光燒結（簡稱SLS）形狀層積技術（簡稱SDM）；利用原材料噴射工藝的成型：熔融層積技術（簡稱FDM）；三維印刷技術（簡稱3DP）其他類型工藝有：樹脂熱固化成型（LTP）；實體掩模成型（SGC）；彈射顆粒成型（BFM）空間成型（SF）；實體薄片成型（SFP）。

2.典型快速成形工藝方法

2.1 立體光刻技術

SLA的工作原理采用紫外激光器為能源，把設計出來的三維模型進行水平切片。

其中紫外激光器有兩種：一種是氦一福激光器，另一種是氨離子激光器。兩種激光器的波長和功率都是不一樣的，可以根據實際情況靈活選擇。

在對模型進行切片的過程中，可以知道被分層的一些信息，然后計算機會根據這些信息進行接下來的處理，讓激光束進行掃描，被掃描到的范圍中存在液態光敏樹脂，它會變成固體，形成了薄的固體截面。接著工作臺下降一層的高度，重復上述步驟，逐層逐層地疊加上去，直到模型制作完成。

模型制作完成之后，不是直接利用的，還需要進行硬化處理，不然的話，模型很容易被破壞掉，硬化之后，還需要進行打光、電鍍、噴漆，讓整個模型看起來更加美觀，之后就可以進行質量檢查了，檢驗合格之后就可以進行包裝、出售了。

2.2 薄材疊層成形技術

薄材疊層成形技術與立體光刻技術存在一些類似的地方，都有利用到激光，只不過前者是利用激光對原料紙進行切割和粘合，后者是利用激光固化液態光敏樹脂，并且兩種技術生產出來的產品也是不同的，前者生成的是零件的模型，后者生成的是整個的模型。

在制作過程中，兩者也存在共同點，比如：都是一層一層地疊加，制作的時候工作臺都是需要連續下降的。

下面將具體闡述其制作方法：

第一步，單面涂有熱熔膠的紙通過加壓粘結在一起，等到計算機得到了分層CAD模型的具體數據之后，就會操控激光器對一層紙進行切割，并且是將紙切割成將要制成的零件的內外輪廓。

第二步，接著將新的一層紙再疊加在上面，重復上述步驟。

在制作過程中，值得注意的一點是，雖然工作臺會連續下降，但切割掉的紙片不會隨著工作臺下降，需要停留在原處，起到一個支撐和固化的作用。

這個技術有兩個優點：第一個是成形速率高，可以節省不少時間，能更快地投入生產，第二個優點是成本比較低，及時制作毀了，也不會損失太多，并且其質量還是非常好的。

2.3 選區激光粉末燒結技術（SLS）

SLS利用的是激光束，原理還是逐層制造。激光束可以有選擇地把工作臺上粘結的金屬粉末或者廢金屬粉末融化，等到燒結成型之后，就形成了一個截面。相同的道理，再鋪上一層粉末，在此利用激光束進行燒結，就這樣逐層制造，逐層粘結，最后制造出三維實體。

SLS的優點就是在于它可以直接燒結粉末，不需要將粉末融化后再成形，而是直接成形，并且這種技術的成形材料范圍是非常廣泛的，大部分材料都適合。

2.4 熔融沉積成形技術（FDM）

這種技術加工的原材料不像SLS是粉末，而是絲材，但是這些絲材是要在融化之后再利用的，融化地點就是在噴頭中，然后才進行進一步的加工。

2.5 三維打印技術（TDF）

這種技術不依賴激光，它是通過噴頭噴射出液態材料形成三維實體，當然這種液態材料也是有要求的，它不能像水一樣，完全沒有可塑性，要求需要具有一定的可塑性，能夠很好地形成實體。這種技術的應用范圍還是比較廣泛的，比較常見的就是應用在制作陶瓷上。

3.快速成形模具制造

模具是一種技術性高的產品，對于傳統的模具制造而言，制造過程十分復雜，還要考慮各種各樣的影響因素，而且制造周期也比較長，中等復雜的模具的制造時間一般不會少于3個月，可想而知，對于復雜模具的制作將要花費更長的時間。所以RP技術可謂是應運而生，對于一些制作量比較少的產品，RP技術發揮的作用非常大，不管模具的難度如何，制作速度都是非常快的，而且質量也是非常不錯的。

3.1 直接制造金屬模具

制造一些工期比較短，而且數量也比較少的零件的時候，最好的方法其實是直接制造模具。

這種方法的操作方法是用選域激光燒結直接制作鑄造型殼。具體的步驟是包括兩步，第一步是形成型殼的CAD圖形，第二步是形成型殼。

型殼的CAD圖形是在CAD軟件中形成的，經過相應地處理，一些補充設計，如澆冒口系統，最后就得到了。

型殼的出爐是通過SLS燒結形成的，將里面的粉末清理干凈了，就得到型殼了。

這種方法的優點就是能夠保證在幾天內完成非常復雜的零部件模具的制造，而且模具越復雜越能顯示其優越性。

3.2 間接制造金屬模具

快速成形可用來間接制造模具。間接制模法指制硬模具，或采用噴涂金屬法獲得輪廓形狀，或者制作母模復制軟模具等。對快速成形制造技術得到的原型表面進行特殊的處理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，或者由原型經硅橡膠模過渡轉換得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型澆注出金屬模具。

4.快速成型模具制造應用

RP的快速模具制造的方法一般有兩大類：一是直接法，二是間接法。不同的方法使用于不同的情境，制作工藝也是不盡相同的，但是制造出來的產品質量確實一樣的好。前者體現在選擇性激光燒結法上，這種方法制造出來的模具，可以使用非常長的時間。但這種方法也是優缺點的，就是在燒結過程中，材料可能會發生收縮現象，這種收縮現象是比較難以控制的，所以制造出來的模具的精確度不是很高，需要反復地實驗。

間接法是快速制造模具過程中經常使用的方法。因為各種因素的限制，生產出來的模具是不能完全代替最終的成品的，需要經過市場檢驗，檢驗合格之后，是需要用實際材料進行制造的。

軟質模具因其所使用的軟質材料（如硅橡膠、環氧樹脂等）有別于傳統的鋼質材料而得名，由于其制造成本低和制作周期短，因而在新產品開發過程中作為產品功能檢測和投入市場試運行，以及國防、航空等領域單件、小批量產品的生產方面受到高度重視，尤其適合于批量小、品種多、改型快的現代制造模式。目前，軟質模具制造方法主要有硅橡膠澆注法、金屬噴涂法、樹脂澆注法等。

軟質模具雖然有諸多優點，但它的適用范圍也比較受限制，如果要生產上萬件或是幾十萬件的產品時，軟質模具就不適合了，還是得需要硬質磨具。而硬質模具指的就是鋼質模具，而現在利用快速成形技術制作鋼質模具的主要方法有3種，包括熔模鑄造法、電火花加工法以及陶瓷型精密鑄造法。所以說，物有所長，再好的工具也有其短板的一面，我們要做的就是選擇最適合待生產產品的工具，提高工作效率，降低生產成本，保證產品質量。

[1]張秀國.快速模具制造技術的現狀及其發展趨勢[J].科技與企業，2012（21）：34.

[2]程鋼.在《現代模具制造技術》教學中引入多媒體[J].職業技術教育，2006（20）：20.

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