探讨基于快速原形制造技术的模具制造

张彦美 徐立 成志远 张久林

摘要：快速原形制造技术应用有效解决了模具制造过程形状及性能无法被充分保证的问题，本文介绍快速原型制造技术的特点，分析其在模具制造中的具体应用，肯定其技术优势，并为相关研究的开展提供理论参考。

关键词：快速原形制造技术;模具制造;软模制造

引言：传统模具制造工艺流程复杂，涉及车、铣、钻、磨等多个步骤才能得到所需的模具形状及尺寸，实际生产中往往要经过反复的试模才能生产出质量达标的模具。传统模具制造效率低下、成本较高、制造周期长，且生产模具的精度难以保障，已无法满足目前工业领域发展的要求，快速原形制造技术应运而生。

1快速原形制造技术

1.1技术特点

快速原形制造技术（RP技术），整合计算机、激光加工、新材料等多项技术，利用三维CAD模型处理分层切片，以获得一系列二维截面轮廓，然后通过激光切割、固化等处理，使之形成既定状态，并得到由多层截面堆叠而成的三维实体。RP技术创新点在于，将原本复杂的三维加工分解转化为二维加工，通过简单加工步骤的有序整合，以达到简化工序流程、提高制造效率的目的。RP技术与传统模具制造领域的融合带来了全新的快速模具制造工艺，有研究表明，该工艺较传统工艺最高可缩短制造周期30%，并帮助降低35%的经济成本，在制造效率及经济上均具备明显优势，被模具制造行业所重点关注。

1.2主要方法

1.2.1立体光固化成型

立体光固化成型及SLA工艺，该工艺以液态光敏树脂为材料，激光束依照零件各分层截面轨迹运行，材料固化形成截面薄层。在已固化完毕的截面薄层上覆盖新树脂材料并反复堆叠，即可得到整个零件原形。该工艺的优点在于制造精度高、能耗低，目前在快速模具制造领域应用广泛。

1.2.2选择性激光烧结

SLS工艺在工作台上覆盖一层薄材料粉末，依照系统给出的截面轮廓轨迹移动二氧化碳激光束，经激光束扫描的粉末均烧结为具备一定厚度的片层，逐层堆叠得到原形实体。市面上已有的SLS成型机型号较多，但运行原理基本一致，仅在供粉及激光扫描模块略有差别。其中，供粉模块包括下供粉和下供粉两种模式，激光扫描模块则可分为振镜扫描和激光头扫描。

1.2.3分层实体制造

分层实体制造（LOM）以激光为主要工具，由计算机系统提取零件截面轮廓线，在控制系统作用下，使用激光逐层切割并堆积材料，最终形成三维实体。LOM加工材料包括纸板、金属板、塑料板等，其中，纸板间采用粘合剂构成统一整体，金属板则采用焊接方式[1]。该工艺适用于大中型零件的制造，可帮助缩短制造时间。

1.2.4熔融堆积成型

FDM工艺通过电加热的方式将既定直径和成分的丝状材料熔化，不断调整丝状材料的位置，堆叠出三维实体。该工艺流程中使用的材料需先处理为丝状，然后由送丝机构传输至喷头，在喷头内将材料熔化。计算机控制系统操控喷头依照零件截面轮廓及填充轨迹连续运动，挤出熔化材料并迅速固化与周围材料融为一体，反复操作完成原形制造过程。

2快速原形制造技术在模具制造中的应用

2.1直接制造

直接制造即直接以RP原形进行快速模具制造。RP技术快速发展使得原形制造材料可选择范围进一步扩张，除金属材料外，部分热稳定性较强、机械强度较大的材料也可用于快速模具制造。例如，LOM工艺所生产的纸板原形，其硬度与木板类似，可承受200℃的高温作用，经机械加工和喷漆处理后，可被用于砂型铸造木模、低熔点合金铸模当中。

再比如SLS工艺中，使用激光烧结聚合物包裹金属粉末得到的实体结构，将其在一定温度条件下分解后高温烧结，最终形成的结构密度较低，且疏松多孔，将其渗入到铜等低熔点金属材料中，即可直接得到所需的模具，吹塑零件模具及压铸模具等均可采用该方法制得。早在1998年，德国公司就研发出能够烧结混合金属粉末的选择性烧结成型机，无需经历加热炉再次烧结及金属渗入即可得到可被直接使用的注塑模具。

2.2硬模制造

（1）陶瓷型精密铸造制造模具。该硬模具制造的工艺流程为RP原形生产、软模赋值、母模移除、陶瓷浆烧注、金属烧注、型腔抛光、浇注和冷却、批量生产。

（2）金属熔射喷涂制造模具。在RP原形或过渡模型上喷涂雾状金属材料，可得到金属硬壳，将母模去除，在金属硬壳内补铸环氧树脂得到硬背衬，处理后可获取面、衬不同的模具。该工艺的操作过程相对简单，且最终得到的模具具备优良的机械性能，制造精度也可被有效保障，因此多被用于高压模具的制造。

（3）熔模精密铸造制造模具。金属模具的批量生产需先获得RP原形，或依照原形复制过程产生的过渡模制造蜡模的成形模，以该成型模为基础制造蜡模，然后再通过熔模铸造得到金属模具。若模具结构及形状较复杂，也可引入LOM、SLS等工艺所生产的纸、塑料等RP原形作为代替。在此类RP原形上涂抹耐火浆即可采用与熔模铸造相似的工艺生产金属模具。实际工作中，原形可直接从CAD系统获得，因此可省去传统工艺流程中蜡模制作的压型设计及制作流程，有效简化模具制造工艺。

（4）铝基合成材料制作模具。该工艺以RP原形为母模，浇注软材料后获得软模具，将母模移除，室温条件下浇注铝基合成材料得到型腔，处理后可得到模具产品。因浇注作业在室温下进行，可有效避免高温浇注所引发的翘曲变形过度问题，可提高模具制作精度。依照注射成形零件的材料及形状不同，采用该方法得到的模具寿命在500～5000件[2]。

2.3软模制造

软模具主要适用于零件加工批量较小的生产情况下，主要工艺流程为：利用RP技术得到零件原形，以该原形作为母模，通过软材料烧注，得到软模具。常用软材料包括蜡、环氧树脂、硅橡胶等，其中蜡模主要用于熔模铸造，而环氧树脂、硅橡胶等材料可生產注塑模及低熔点合金铸造模。以上软材料均具备优良的弹性和强度，可简化复杂模具的结构设计难度，且脱模操作也更加顺畅。例如在使用硅橡胶复制模具时，若忽略拔模斜度的影响，其尺寸精度可基本达标。在室温条件下，硫化硅橡胶材料强度下降，模具寿命一般在10～25件。相较之下，TEK高温硫化橡胶材料的耐高温性更强，最高可达到500℃，且硬度及抗压强度均较硫化橡胶有显著提升，使用该材料生产的新合金离心铸造模具寿命在200～500件。

结论：基于快速原形制造技术的快速模具制造工艺有效解决了传统制造工艺中，模具设计难度大、制造周期长、精度无法保障等弊端。随着相关技术的发展，快速模具制造工艺的自动化、智能化水平也将进一步提升，精确、便捷获取模具制造形状、结构及精度要求，提升模具制造质量。

参考文献：

[1]宗学文，熊聪，张斌，等.基于快速成型技术制造复杂金属件的研究综述[J].热加工工艺，2019，48（01）：5-9+13.

[2]刘胜勇.基于快速原形制造技术的模具制造[J].金属加工（冷加工），2018（05）：3-7.