探討基于快速原形制造技術的模具制造

張彥美 徐立 成志遠 張久林

摘要：快速原形制造技術應用有效解決了模具制造過程形狀及性能無法被充分保證的問題，本文介紹快速原型制造技術的特點，分析其在模具制造中的具體應用，肯定其技術優勢，并為相關研究的開展提供理論參考。

關鍵詞：快速原形制造技術;模具制造;軟模制造

引言：傳統模具制造工藝流程復雜，涉及車、銑、鉆、磨等多個步驟才能得到所需的模具形狀及尺寸，實際生產中往往要經過反復的試模才能生產出質量達標的模具。傳統模具制造效率低下、成本較高、制造周期長，且生產模具的精度難以保障，已無法滿足目前工業領域發展的要求，快速原形制造技術應運而生。

1快速原形制造技術

1.1技術特點

快速原形制造技術（RP技術），整合計算機、激光加工、新材料等多項技術，利用三維CAD模型處理分層切片，以獲得一系列二維截面輪廓，然后通過激光切割、固化等處理，使之形成既定狀態，并得到由多層截面堆疊而成的三維實體。RP技術創新點在于，將原本復雜的三維加工分解轉化為二維加工，通過簡單加工步驟的有序整合，以達到簡化工序流程、提高制造效率的目的。RP技術與傳統模具制造領域的融合帶來了全新的快速模具制造工藝，有研究表明，該工藝較傳統工藝最高可縮短制造周期30%，并幫助降低35%的經濟成本，在制造效率及經濟上均具備明顯優勢，被模具制造行業所重點關注。

1.2主要方法

1.2.1立體光固化成型

立體光固化成型及SLA工藝，該工藝以液態光敏樹脂為材料，激光束依照零件各分層截面軌跡運行，材料固化形成截面薄層。在已固化完畢的截面薄層上覆蓋新樹脂材料并反復堆疊，即可得到整個零件原形。該工藝的優點在于制造精度高、能耗低，目前在快速模具制造領域應用廣泛。

1.2.2選擇性激光燒結

SLS工藝在工作臺上覆蓋一層薄材料粉末，依照系統給出的截面輪廓軌跡移動二氧化碳激光束，經激光束掃描的粉末均燒結為具備一定厚度的片層，逐層堆疊得到原形實體。市面上已有的SLS成型機型號較多，但運行原理基本一致，僅在供粉及激光掃描模塊略有差別。其中，供粉模塊包括下供粉和下供粉兩種模式，激光掃描模塊則可分為振鏡掃描和激光頭掃描。

1.2.3分層實體制造

分層實體制造（LOM）以激光為主要工具，由計算機系統提取零件截面輪廓線，在控制系統作用下，使用激光逐層切割并堆積材料，最終形成三維實體。LOM加工材料包括紙板、金屬板、塑料板等，其中，紙板間采用粘合劑構成統一整體，金屬板則采用焊接方式[1]。該工藝適用于大中型零件的制造，可幫助縮短制造時間。

1.2.4熔融堆積成型

FDM工藝通過電加熱的方式將既定直徑和成分的絲狀材料熔化，不斷調整絲狀材料的位置，堆疊出三維實體。該工藝流程中使用的材料需先處理為絲狀，然后由送絲機構傳輸至噴頭，在噴頭內將材料熔化。計算機控制系統操控噴頭依照零件截面輪廓及填充軌跡連續運動，擠出熔化材料并迅速固化與周圍材料融為一體，反復操作完成原形制造過程。

2快速原形制造技術在模具制造中的應用

2.1直接制造

直接制造即直接以RP原形進行快速模具制造。RP技術快速發展使得原形制造材料可選擇范圍進一步擴張，除金屬材料外，部分熱穩定性較強、機械強度較大的材料也可用于快速模具制造。例如，LOM工藝所生產的紙板原形，其硬度與木板類似，可承受200℃的高溫作用，經機械加工和噴漆處理后，可被用于砂型鑄造木模、低熔點合金鑄模當中。

再比如SLS工藝中，使用激光燒結聚合物包裹金屬粉末得到的實體結構，將其在一定溫度條件下分解后高溫燒結，最終形成的結構密度較低，且疏松多孔，將其滲入到銅等低熔點金屬材料中，即可直接得到所需的模具，吹塑零件模具及壓鑄模具等均可采用該方法制得。早在1998年，德國公司就研發出能夠燒結混合金屬粉末的選擇性燒結成型機，無需經歷加熱爐再次燒結及金屬滲入即可得到可被直接使用的注塑模具。

2.2硬模制造

（1）陶瓷型精密鑄造制造模具。該硬模具制造的工藝流程為RP原形生產、軟模賦值、母模移除、陶瓷漿燒注、金屬燒注、型腔拋光、澆注和冷卻、批量生產。

（2）金屬熔射噴涂制造模具。在RP原形或過渡模型上噴涂霧狀金屬材料，可得到金屬硬殼，將母模去除，在金屬硬殼內補鑄環氧樹脂得到硬背襯，處理后可獲取面、襯不同的模具。該工藝的操作過程相對簡單，且最終得到的模具具備優良的機械性能，制造精度也可被有效保障，因此多被用于高壓模具的制造。

（3）熔模精密鑄造制造模具。金屬模具的批量生產需先獲得RP原形，或依照原形復制過程產生的過渡模制造蠟模的成形模，以該成型模為基礎制造蠟模，然后再通過熔模鑄造得到金屬模具。若模具結構及形狀較復雜，也可引入LOM、SLS等工藝所生產的紙、塑料等RP原形作為代替。在此類RP原形上涂抹耐火漿即可采用與熔模鑄造相似的工藝生產金屬模具。實際工作中，原形可直接從CAD系統獲得，因此可省去傳統工藝流程中蠟模制作的壓型設計及制作流程，有效簡化模具制造工藝。

（4）鋁基合成材料制作模具。該工藝以RP原形為母模，澆注軟材料后獲得軟模具，將母模移除，室溫條件下澆注鋁基合成材料得到型腔，處理后可得到模具產品。因澆注作業在室溫下進行，可有效避免高溫澆注所引發的翹曲變形過度問題，可提高模具制作精度。依照注射成形零件的材料及形狀不同，采用該方法得到的模具壽命在500～5000件[2]。

2.3軟模制造

軟模具主要適用于零件加工批量較小的生產情況下，主要工藝流程為：利用RP技術得到零件原形，以該原形作為母模，通過軟材料燒注，得到軟模具。常用軟材料包括蠟、環氧樹脂、硅橡膠等，其中蠟模主要用于熔模鑄造，而環氧樹脂、硅橡膠等材料可生產注塑模及低熔點合金鑄造模。以上軟材料均具備優良的彈性和強度，可簡化復雜模具的結構設計難度，且脫模操作也更加順暢。例如在使用硅橡膠復制模具時，若忽略拔模斜度的影響，其尺寸精度可基本達標。在室溫條件下，硫化硅橡膠材料強度下降，模具壽命一般在10～25件。相較之下，TEK高溫硫化橡膠材料的耐高溫性更強，最高可達到500℃，且硬度及抗壓強度均較硫化橡膠有顯著提升，使用該材料生產的新合金離心鑄造模具壽命在200～500件。

結論：基于快速原形制造技術的快速模具制造工藝有效解決了傳統制造工藝中，模具設計難度大、制造周期長、精度無法保障等弊端。隨著相關技術的發展，快速模具制造工藝的自動化、智能化水平也將進一步提升，精確、便捷獲取模具制造形狀、結構及精度要求，提升模具制造質量。

參考文獻：

[1]宗學文，熊聰，張斌，等.基于快速成型技術制造復雜金屬件的研究綜述[J].熱加工工藝，2019，48（01）：5-9+13.

[2]劉勝勇.基于快速原形制造技術的模具制造[J].金屬加工（冷加工），2018（05）：3-7.