浅论快速模具制造技术分析与发展趋势

陶华伟

【摘 要】速成型与制造技术（rapid prototyping and manufacturing，RP&M;）可以从CAD模型驱动直接得到实体模型或模具，大大缩短产品开发周期，降低制造成本，成为支持快速市场响应的必要工具之一。本文主要介绍了快速模具制造技术的概况以及我国目前快速模具制造技术的应用现状及发展趋势。

【关键词】模具制造；快速成型；技术分析；发展趋势

1.快速模具制造技术概述

速成型与制造技术（rapidprototypingandmanufacturing，RP&M;）是一种可以从CAD模型驱动直接得到实体模型或模具的全新技术，不需传统加工工具和模具，缩短了产品开发周期，降低制造成本，成为支持快速市场响应的必要工具之一，近年来获得广泛的应用。众多的国内外企业都在积极应用RP&M;技术加快产品开发和技术进步，在产品的设计检验、外观评审、装配实验、动态分析、应力分析、风洞实验和快速模具中都取得了成功。

2.快速模具技术分类与应用

根据快速模具是否由快速成型机直接制造，快速模具又可分为直接制造和间接制造两类，其应用工艺各有各的特点，具体分析如下：

2.1快速模具直接制造

快速模具直接制造是由CAD模型驱动直接由快速成型机分层堆积形成所需要的模具。由于工艺流程短，模具成型更加快捷，工艺过程更易控制，直接制造金属模具成为最被看好的先进技术，是快速模具制造技术所追求的目标。

2.1.1激光选区烧结技术

快速模具直接制造最成功的快速成型工艺是激光选区烧结（selectivelasersintering，SLS）。工艺过程为：高能量激光选择性地将粉末烧结为层片，逐层烧结后，将未烧结的松散粉末除去，然后经过高温烧结及渗铜后即可作为模具使用。该方法在小型注射模和吹塑模上已得到成功应用。直接金属激光烧结（directmetallasersintering，DMLS）工艺是德国EOS公司基于SLS工艺开发的一种新型模具直接制造技术，不用中间粘结剂而直接烧结金属粉末，所制造出的模具密度接近纯金属。DMLS模具不必再进行后期的高温烧结和渗铜，但需在表面渗入一层高温环氧树脂，目前模具的精度能达到0.05mm，用于注射模能注射出高达1.5万件的塑件，用于压铸模可以铸造几百件金属零件。

2.1.2激光粉末熔覆近净成型技术

激光粉末熔覆近净成型（laserengineerednetshaping，LENS）是一种基于激光熔覆技术的快速金属零件和模具制造工艺，成型零件组织致密，具有明显的快速熔凝特征，力学性能高，并可实现非均质和梯度材料零件和模具的制造。不过，由于热应力的影响和缺乏支撑材料，制造的模具在表面粗糙度值和尺寸精度方面尚不能满足大部分模具的要求，限制了LENS工艺在模具制造领域的应用。

2.1.3薄层物体叠加技术

薄层物体叠加（laminatedobjectmanufacturing，LOM）工艺是用加热辊和激光束对背面涂有热熔胶的薄片材料（纸、塑料、金属等）进行逐层粘结和切割，以形成模具的各层截面轮廓，最终制成模具。由于金属片的粘结温度和环境温度难以协调和控制，金属片经过加热、粘结和冷却很容易发生扭曲，模具成型质量不是很高。

2.1.4三维打印技术

三维打印（3Dprinting，3DP）工艺利用粘结剂喷头有选择地喷涂粘结剂，使金属粉末如不锈钢、碳化钨等粘结成截面轮廓，一层层粘结形成三维形状，这种低密度的成形件在经过高温烧结和渗铜处理，便可得到致密度达到92%以上的金属实体，对其表面进行抛光打磨处理后就可作模具使用。

快速模具直接制造的工艺还有激光选区熔化（selectivelasermelting，SLM）、电子束选区熔化（electronbeammelting，EBM）、电子束自由制造（electronbeamfreeformfabrication，EBF）等，这些工艺都是利用高能量使粉末材料选择性熔化而形成金属零件的。CarnegieMellon和Stanford大学开发的形状沉积制造（shapedepositionmanufacturing，SDM）快速成型工艺，结合了材料增长和材料去除2种成型方法。首先微滴金属液根据CAD模型的二维层片信息沉积为实体层片，然后通过数控加工形成精确尺寸和形状的层片，每一层的制作过程都是一个结合微型铸造和数控加工的工艺，在快速制造大型模具方面有很广阔的发展前景。

2.2快速模具间接制造

快速模具间接制造就是以快速原型作为母模，然后转用其他工艺在快速原型的基础上复制出所要求的模具。实际上该工艺的实践基础在模具行业中早就存在，即以母模或者样件通过各种方法如铸造、喷涂和电铸等制造相应的模具，因此技术开发和应用都很实用。尽管直接快速制模法的工序少，但是模具精度和性能很难满足要求，而间接制造方法是快速原型和传统成型工艺的结合，可以根据模具的应用要求选择不同复杂程度和成本的配合工艺，模具的精度、表面质量、材质要求和力学性能等更接近实际应用情况，因此目前工业界多使用快速模具间接制造方法。

2.2.1粉末成型法

粉末成型法中最具代表性的是美国3DSystems公司开发的3DKeltool工艺。这种工艺是SLA法快速成型技术、硅橡胶模、粉末成型和金属浸渗的结合，一般可在10余天得到模具，比CNC加工方法节约25%～40%的成本，模具材料的性能与常规钢制模具接近，用于热塑性塑料寿命可达百万次。该方法的缺点是模具尺寸太大时在渗铜过程中会发生明显变形，因此仅适合制造小尺寸的模具镶块。

2.2.2 NCC制造技术

NCC（nickel-ceramiccomposite）工艺结合了镀镍工艺和陶瓷复合材料背衬。该方法以高分子快速原型为母模电镀一层厚约1～5mm的镍，然后在镍壳的外表面填充陶瓷粉与有机粘结剂的混合物，分离原型后得到模具。这种复合材料的模具非常适合制造尺寸较大的模具（大于250mm@250mm@250mm），用于注射件时寿命可达5000件。

2.2.3喷涂法

喷涂法是一种制造金属模具的常用方法。由于快速原型表面在喷涂过程中要受到热冲击，对原型的力学性能和热性能有较高的要求。一般喷涂材料为低熔点金属，如果原型能够耐受高温，也可喷涂高熔点金属如不锈钢。喷涂法间接快速模具制造工艺简单，模具型腔表面的精细纹路可以一次成型，尺寸精度高。关键问题是解决好涂层与快速原型表面的贴合和脱离问题。

3.我国快速模具制造的发展趋势分析

随着快速成型技术的应用范围逐渐扩大和市场对快速产品制造的需求增加，快速模具制造必然获得迅速的发展。快速模具制造技术已经体现了极大的优势，国内外都投入了很大的力量进行开发研究，但是目前应用还不广泛，仍然存在很多制约其发展和应用问题。从近几年的发展状况看，对于快速模具制造的未来发展趋势体现为：

（1）快速模具制造的主要目的之一就在于快速开发、制作用于传统制造工艺的模具，在这方面，目前RT技术已经取得很大的进展，但离实际应用的要求仍有一定的差距，因此需要进一步扩大快速模具的适用范围，并降低快速模具的制造成本。尤其对于大型模具的快速低成本制造，将成为快速模具迅速发展的重要突破方向。

（2）目前快速模具制造都是采用传统模具材料，由于快速制模是一种新工艺，针对其特点开发新型模具材料和成型工艺将成为一个重要的研究方向，其中包括新型合金材料、梯度功能材料、复合材料等。

（3）与高速铣削相比，快速模具制造在表面带精细复杂形状的金属模具，难以省去电火花加工工序（即用RT代替电火花加工）的金属模具制造方面将会占有优势，模具表面精细复杂花纹直（下转第65页）（上接第26页）接成形将是RT技术的未来发展方向。

（4）金属壳体+树脂或者陶瓷背衬等间接快速模具的使用范围和性能受到限制，以材质选择灵活度高的铸造方法制造全金属材质的注射、冲压和压铸等主导模具将得到迅速发展，占据快速模具间接制造的主要份额。将快速成型、特种铸造、喷涂或者化学镀等表面处理方法结合起来制造高性能快速模具将具有极大的优势。

（5）直接快速模具制造方法由于不需中间工序、工艺流程短，在表面和尺寸精度、力学性能和模具种类等得到改善以后，将得到更广泛的应用，以低成本且适于精细加工及多种材料成型的堆积和去除成型技术的集成技术，将得到快速发展。但是在材质和成本方面的制约使得间接法仍将是快速模具制造的主要工艺。

（6）间接快速制造法控制精度难度大，应着力开发短流程的快速制造工艺、精度损失小的成型方法，实现工作环境的稳定以提高间接法制造精度。

（7）为了有效地改善快速模具的性能，将进一步采用计算机辅助工程（CAE）与虚拟制造技术，使模具材料的选择与组合、模具的结构设计等趋于优化，产品的品质与生产率更高。

4.结语

随着市场的需求与生活水平的提高，对产品快速开发和制造的的要求越来越迫切，快速模具制造技术将会得到更加广泛的应用。由于我国在快速模具制造方面的研究与应用刚起步，与国外先进水平比较还有一定的差距，相关机构要加快快速制模技术研究，促进我国制造业与国际制造水平相接轨。