注塑模具快速成型技术实用性分析

蒋小波

1.西南科技大学，四川 绵阳 621010

2.娄底职业技术学院，湖南 娄底 417000

当前各种先进技术在各行业高速发展，各种先进技术的推广应用也成为必然趋势。在制造领域市场竞争日趋激烈的条件下，传统制造业的设计和生产方式越来越难以满足企业各方面对高新技术的要求。快速成型技术就是适应这种市场需求而发展起来的一种高新制造技术，近年来，国内外纷纷将快速成型技术应用到模具制造中，逐渐形成一种全新的快速模具制造工艺，而金属塑料模具快速制造技术是当前国内外重要的应用研究方向之一，其中采用金属粉末为材料加工的选择性激光烧结成型技术成为目前世界上一些工业发达国家研究的热点课题。

快速成型技术的基本原理是：任何三维零件都可以看作是许多等厚度的二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成。首先通过软件生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型，用软件将其转换成STL文件格式，再用软件从STL 文件切出设定厚度（等厚度或者不等厚度）的一系列片层，或者直接从以CAD文件切出一系列的片层，离散得到各层截面的轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性地将成型材料一层层的分层加工，然后逐层堆积成三维实体原型。因此，快速自动成型其实就是一种将计算机中建立的任意三维型体通过材料逐层叠加法直接制造。

由于快速成型技术可以把复杂的三维制造转化为一系列简单二维制造的叠加，因此，几乎任意复杂的产品都可以在不用模具和工装夹具的条件下进行加工，明显地提高了生产效率和柔性制造的能力。

选择性激光烧结技术与其它快速成型(RP)方法相比，最突出的优点在于它所采用的成型材料十分广泛。从原理上说，只要加热后原子间能够形成粘结的粉末材料都可以成为SLS的成型材料。当前，可成功进行SLS成型加工的材料有很多，例如：金属、陶瓷粉末、石蜡、高分子以及它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料用料节省、品种多、适合多种用途、成型件性能分布广泛，而且SLS不需要设计和制造复杂的支撑系统，因此，SLS的应用越来越广泛。

选择性激光烧结技术开辟了不用任何刀具就可以快速制作各类零件的方式，解决了复杂零件或模型不能或难于用常规方法制造的问题，快速成型技术具有较高的灵活性和迅速性，所以它几乎在各个行业和领域中广泛应用，包括医疗、文物保护、人体工程等行业也得到了普遍的应用。

目前，国际上快速成型设备的研究方向主要有2个：1）工业化大型系统；2）自动化的桌面小型系统。世界上开展RPM的研究的机构已有20多家。其中由于SLS技术具有成型速度快、材料选择范围广、精度高、可适用多种用途的特点，得到更为迅速发展。目前，全世界快速成型机总销售量的20%就是SLS成型机，国外相关机构对SLS技术的研究也取得了很多重要的研究成果，有很多机构也开始对SLS的后处理工艺进行深入研究。SLS原型件烧结结束后，由于烧结成型件中相对密度低，空隙较多，所以还需要进行相应的后处理，通过后处理可以进一步提高其热学性能和机械性能。

但是，SLS技术的应用还有一定的缺点。SLS技术的基本功能要求较高的速度和精度，由于原形制件的速度和精度的影响因素有很多并且有些因素是相互关联的，其主要因素有以下几点：

1）制件精度的影响主要来自系统本身的工作误差和加工参数取值范围。系统工作误差的内容包括：工作台的Z向位置移动误差、成型平面扫描运动误差；系统工艺参数的内容包括：扫描间距、激光功率、激光扫描速度等。

2）STL使用的材料比其他快速成型方式的种类要多，由于材料的化学性能、物理对制件精度起着决定性作用。成型过程中由于材料状态产生变化，会引起制件收缩、变形，翘曲，在制件内部产生残余应力，从而影响制件精度。

3）现在绝大部分RP系统采用STL文件为数据输入形式，SLT文件采用了很多小三角形平面去模仿三维CAD实体模型，再用切片软件从STL文件所建立的立体模型上“切”出设定厚度的一系列的片层，而在建模和切片过程中都会产生误差。

4）因为STL文件是用具有一定厚度片层叠加去逼近立体曲面的，通过层层叠加成型会造成STL技术制作的制件出现台阶效应。虽然越厚的切片层数少，所以成型速度越快。但是就出现越明显的台阶效应，制备的制件精度越低；而当切片的厚度越薄，虽然成型速度越慢，但精度却越高。所以，控制切片的厚度是制件精度与成型速度的重要因素。

快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的注塑模具零件是快速成型技术面临的一个重要问题。

通过研究表明，选择性激光烧结技术是制造注塑模具最有效的手段，但还要通过进一步的研究，提高该工艺的技术水平并对其原型件进行一定的后处理，才可以获得强度、精度均符合注塑工艺要求的合格金属零件和注塑模具。

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