快速模具制造技术的现状及其发展趋势

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摘 要：快速成形与制造(RP＆N)作为诞生仅十余年的先进制造技术，已成功地实现了快速原型制造，目前正向快速模具制造(RT)方向迅速发展。主要介绍了快速制模尤其是快速金属模具制造(RNT)技术的现状和发展趋势，比较和分析了模具快速制造的间接法和直接法的特点和问题，探讨了快速模具制造技术发展面临的关键问题及其应用前景。
关键词：快速成形与制造；快速制模；快速制造金属模具；间接法；直接法
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# Z: H. N/ Y7 eO 引言
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快速成形与制造(RPM：Rapid Prototvfolng & Manufacturing)是融激光、材料科学、信息与控制技术等为一体的分层——层积技术，堪称是20世纪后半期制造技术最重大的进展之一。RPM技术诞生10余年来已在汽车、家电、航空、医疗等行业中得到广泛应用。国外大型企业如通用、福特、法拉利、丰田、麦道、IBM、AT&T、Motorla等以及我国的一些著名企业，都积极在产品设计过程中采用这项技术，进行产品的有关设计检验、外观讦审、装配实验、动态分析、光弹应力分析、风洞实验等，成功地实现了面向市场的产品造型设计敏捷化。而随之兴起的快速制模尤其是快速制造金属模具(RMT：Rapid Metal Tooling)则是由新产品设计迅速形成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场的必由途径，是RPM技术进一步发展并取得更大经济效益所面临的关键课题，成为当前RPM技术研究的国际前沿。值此世纪之交，该技术被美国汽车工程杂志讦为全球15项重大技术之首，受到全球制造业的广泛关注。

; u8 w  U4 |# u! O8 i' E& `* o" I1 快速制模技术的发展简况
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随着多品种小批量时代的逐步来临和企业要求模具能保证新产品快速占领市场，开发快速经济模具越来越引起人们的重视，例如用环氧聚脂或其中混入金属、陶瓷、玻璃等增强材料制作的快速软模，可用于上百件注塑成形以及汽车覆盖件试制。其主要特点是制造工艺简单、生产周期短、价格便宜。但由于材料的导热性和机械性能不高，这种模具难以用于快频率的批量注塑成形以及金属拉延件批量成形。水泥、陶瓷制作的汽车覆盖件模具还有待进一步改善。相比之下，由于金属材料具有优良的综合性能，金属模具低成本快速制造成为RPN技术的努力目标。世界先进工业化国家的RPM技术在经历了模型与零件试制、快速软模制造阶段后，目前正向快速硬模即金属模具制造(RMT)方向发展，RMT已成为国际RPN技术应用研究开发的热点。
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( ^1 ?1 |* q7 J0 B; |业已提出的众多RNT方法可分为由cAD数据及RP系统制作的快速原型或其他实物模型复制金属模具的间接法和根据CAD数据直接由RP系统制造金属模具的直接法两大类。下图表示主要的金属模具快速制造方法的基本工艺路线。直接法虽然受到关注，但由于尺寸范围及精度、表面质量、综合机械性能等方面存在问题，离实用化尚有相当差距，目前最成熟的RNT法是间接法。

2.1 间接制模法

在直接制模法尚不成熟的情况下，目前具有竞争力的RMT技术主要是粉末烧结、电铸、铸造和熔射等间接制模法。国内外这方面的研究非常活跃，有许多金属模具间接快速制造技术的研究及应用事例。如3D systems公司的基于SLA原型的粉末成形烧结+浸渗快速复制(Keltool)工艺、CEMCOM公司的镀镍+陶瓷复合(NCC，Nickel-Ceramic Composite)工艺、Idaho National Engineering and Environmental]Lab的快速凝固工艺(RSP，Paoid Solidification Process)和Soligen Tech．Inc．公司的基于DSCP金属薄壳成形系统的铸造工艺、Badger Pattern公司的锌合金喷涂+树脂·金属复合材料补强工艺和东京大学的RHST(Raopid Hard Soray Tooling)以及日产汽车公司的熔射快速制造金属模具法等。

% v% i+ J7 Q4 O1 M' _: nKeltool方法的工艺路线是：由SLA方法生成快速原型十硅橡胶翻模得到模具的负型--填充金属粉末及粘结剂十放入高温炉膛内进行烧结、渗铜--得到最终模具。模具型腔经过热处理后表面硬度可以达到48~50HRC。用A6工具钢制造的模具能够生产数千件产品，但此法制模过程时间长，且工艺复杂。

! Q% E2 r! C, K: w* h6 f# O( rNCC方法首先在SLA方法生成的快速原型上镀上一层厚约1—5mm的镍，然后在镍质镀层上用化学反应凝固陶瓷材料(CBC，Chermicallv Bonded Ceramic)作背衬补强，将原型分离后得到最终模具。这一方法具有与SLA工艺同等的精度，可用于注塑模制造，但要解决电镀工序时间长和需处理废液污染等问题。

RSP方法是用高速隋性气体将熔化的金属液体雾化，喷射在石蜡、塑料或陶瓷原型(通过SLA、SLS或LOM方法制造)上，生成一薄层金属，补强背衬并除去原型后得到模具。此法可制作注塑模具和冲压模具，但是为了提高制件的表面质量和机械性能需要进行时效处理，增加了制模时间。
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1 M/ ^$ W- o2 s! a, X8 _, LBadaer Pattern公司、东京大学和日产汽车公司熔射制模法的基本工艺都是在原型表面形成熔射层，然后对熔射层进行补强并将熔射原型去除得到金属模具。但Bad,erPattern公司只能熔射低熔点锌合金，并采用树脂·金属复合材料对熔射层补强，致使模具的耐磨性和热传导性差，只能用于数百件注塑成形。东京大学开发的RHST方法则是以不锈钢或碳化钨合金等高融点材料为熔射材料，并以金属材料对熔射层背衬补强，从而极大地改善了熔射模具的耐久性，使其能用于表面光滑或带天然精细皮革纹饰塑料产品的大批量注塑成型以及金属薄板成形。日产汽车公司的熔射制模法也采用不锈钢作为熔射材料，并采用树脂·金属复合材料补强，已用于数万至二十多万件的轿车覆盖件成形，但与RHST法相比，该法不能用于表面带天然精细皮革纹饰耐久注塑模具的制造，使用范围受到限制。
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* s8 Z* j! o% g/ @8 ~7 m在我国，关于金属模具间接快速制造技术的研究受到高度重视，清华大学、华中理工大学在铸造模方面取得了许多研究成果；上海交大用精密铸造法快速翻制出汽车轮胎等金属模具；西安交通大学采用树脂原型、研磨石墨电极、电火花加工出(日质模具；殷华公司及烟台机械工艺研究所与烟台泰利汽车快速模具公司合作采用电弧熔射锌合金制作出快速经济注塑模具。
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上述各种间接法都具有快速经济的特点。但相比之下，铸造法和粉末烧结法尺寸变化大，制模精度不高。电铸复制精度虽高，但制模时间长、受电铸材料种类限制且需处理废液污染。熔射法具有模具材料种类和制模尺寸规格限制小、复制精度高等优点。东京大学和日产公司开发的高融点材料熔射制模法极大地改善了模具的耐久性，因此在汽车、摩托车、家电和建筑装饰等行业的模具尤其是目前市场急需的汽车内外饰件和覆盖件模具有广阔的应用前景。与直接法相Lk，间接法目前虽在实用化方面占有优势，但由于中间工序较多且受材料性质和制造环境温度的影响，导致精度控制难度大。因此，开发尺寸稳定性好的制模材料及少工序间接制模法、实现工作环境的安定化是提高精度的关键，同时必须加快开发短流程直接制造金属模具的方法。
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2.2 直接制模法
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直接法尤其是直接快速制造金属模具(DRMT：Direct Raoid Metal Tooling)方法在缩短制造周期、节能省资源、发挥材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潜力，从而受到高度关注。目前的DRMT技术研究和应用的关键在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保证其综合性能质量，从而直接快速制造耐久、高精度和表面质量能满足工业化批量生产条件的金属模具。目前已出现的DRMT方法主要有：以激光为热源的选择性激光烧结法(SLS·Se—lective Laser Sintering)和激光生成法(LG·Laser Generating)；以等离子电弧等为热源的熔积法(PDM：Plasma Detmsition Method，或PPW：Plasma Powder Welding)；喷射成形的三维打印法(3DP：Three—Dimensional Printing)。
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SLS选择性激光粉末烧结法的工艺大致为：先在基底上铺上一层粉末，用压辊压实后，按照由CAD数据得到的层面信息，用激光对薄层粉末有选择地烧结。然后将新的一层粉末通过铺粉装置铺在上面，进行新一层烧结。反复进行逐层烧结和层间烧结，最终将未被烧结的支撑部分去除就得到与CAD形体相对应的三维实体。LohnerA．等采用Texas大学的SLS工艺，用Ni—Cu粉末直接制造的模具，密度为理论值的80％，强度为100—200MPa，精度为0.1mm，平均粗糙度Ra为10—15um，可用于数百件注塑成形。目前较为成熟的有两种SLS工艺：一种是美国DTM公司的采用聚合物包覆金属粉末的Ravid Tool工艺；一种是德国EOS公司的在基体金属中混入低熔点金属的Direct Tool工艺。Ravid Tool工艺采用激光烧结包覆有粘结剂的钢粉，由计算机控制激光束的扫描路径，加热融化后的粘结剂将金属粉末粘结在一起(非冶金结合)，生成约有45％孔隙率的零件，干燥脱湿后，放入高温炉膛内进行烧结、渗铜，生成表面密实的零件，此时零件中的材料成分为65％的钢和35％的铜。经过打磨等后处理工序，得到最终的模具。Direct Tool通过烧结过程使低熔点金属向基体金属粉末中渗透来增大粉末间隙，产生尺寸膨胀来抵消烧结收缩，使最终的收缩率几乎为零。此外也有尝试制造为碳化物、钻混合的模具。由于SLS直接成形体相对密度低，要得到较高密度必须通过烧结、浸渗等后处理，这就增加了制模时间和成本，因此不能称之为完全的DRMT，同时由于未熔颗料的粘结，表面质量难以提高。
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LG中有代表性的Sandia National Lab的LMF(Laser Metal Formina)工艺是在激光熔敷基础上开发的直接制模工艺，该工艺采用高功率激光器在基底或前一层金属上生成出一个移动的金属熔池，然后用喷枪将金属粉末喷入其中，使其熔化并与前一层金属实现紧密的冶金结合。在制造过程中，激光器不动，计算机控制基底的运动，直到生成最终的零件形状。制件密度为理论密度的90％，强度接近于铸件，机械性能较好，而且还可调整送粉组分实现组织结构优化。但由于残余热应力的影响和缺乏支撑材料，精度难以保证，只适用于简单几何形状的模具，而且与SLS过程类似，由于未熔颗粒的粘结，Ra只达到12μm。
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4 ]% ]- @5 k: _& P( e1 W3DP工艺类似喷墨打印机，铺粉装置将一层粉末铺在基底或前一层粉末上面，通过喷头在粉末上喷射固化结合剂，层层堆积形成三维实体，经过烧结、浸渗，得到最终的模具。Michaelss等采用MIT的3DP技术直接制造的模具密度相当于理论密度的60％，强度低于铸件，而且精度和表面粗糙度差。
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& Z8 m1 p4 k+ z& g( ]9 u等离子熔积法(PDM)具有使用材料范围广、能获得满密度金属零件的特点。起源于前德国Kruoo和Thvssen公司的埋弧焊接，能够实现大型或特大型容器的成形焊，其机械性能、组织优于铸锻组织，通过适当选择工艺参数可以减少残余应力和裂纹发生，提高堆焊高度。此外，薄钢板的LOM技术也可制造金属模具，但叠层间需焊接等紧固处理，且材料利用率低，薄板热变形也影响成形精度和粗糙度。

然而，上述方法都是基于堆积成形的原理，不可避免要产生侧表面阶梯效应，致使精度低、表面质量差，且存在综合力学性能不高等方面的问题，目前尚多用于金属零件的制造。值得注意的是，Stanford大学的AmonC.H等人最近开发出形状沉积制造(SDM)工艺，并研制出与CNC加工集成的装置。其工艺特点是利用焊接原理熔化焊材(丝状)，并借助热喷涂原理使超高温熔滴逐层沉积成形，实现层间冶金结合。但因焊接弧柱的不稳定、以及可控参数的协调性等问题，很容易出现翘曲和剥离。采用CNC对外轮廊和表面精整，在解决RPM技术中共有的、因逐层堆积产生的侧表面阶梯效应造成的精度和表面质量问题方面做了有益的尝试，但这种工艺目前尚局限于简单形状金属零件制造。
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下表给出了几种快速制模方法的有关性能参数。从表中可以看出，间接制模法生产的模具表面质量和尺寸精度都较直接法高，制作大型模具时，间接法较直接法具有更大的优势，但现有RPMT技术尚不能直接快速制造能满足工业化批量生产要求的高精度、高性能、高表面质量的复杂形状金属模具。因此，要解决直接快速制造复杂形状金属模具的精度、表面质量和综合力学性能的问题，有必要探索新的直接快速精细制模方法。

3 展望

9 b! X4 t) B" t1 a鉴于模具技术在制造业中所处的关键地位，快速制模尤其是快速制造金属模具技术的开发研究受到高度关注，概括该技术面临的关键问题和发展趋势有以下几个特点：

(1)快速软模及陶瓷等模具的使用范围受到限制，压铸、注塑、冲压等主导模具的金属模具快速制造是RPN技术努力的目标；
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$ D1 z5 x. F( i" I/ v(2)以快速原型等各种原型和铸造、熔射等技术相结合的间接法与直接法相比实用化方面占优势，但因工序增加和受材料性质及制造环境的影响，致使精度控制难度大。开发尺寸稳性好的制模材料、减少制模工序、实现工作环境的安定化是提高间接法制模精度的关键；
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(3)基于堆积成形原理的直接制模法在表面及尺寸精度、综合机械性能等方面尚难以满足高精度、高表面质量的耐久模具制造要求，且成本高、尺寸规格受限制。以低成本且适于精细加工及多种材料成形的堆积和去除成形技术集成，将是提高直接制模法的实用性、材料适应性和表面精度的有效方法；

/ Y+ u/ A$ A$ O$ N(4)快速制模法适合我国国情，具有广阔的应用前景。与高速铣削加工相比，在表面带精细复杂形状和电火花加工难以省去的金属模具制造方面占有优势。要进一步提高快速制模技术的竞争力，必须开发加工数据生成较数控加工数据生成更容易，并能获得所需的尺寸及表面精度材料选择范围广的直接快速制模新方法。