快速制模和快速制造的新进展

彼岸花开

一、引言

- n  E2 Z0 l, d) h: C9 M9 t模具是生产各种产品的重要工具。快速制模是以快速成形技术为基础的模具制造技术。快速成形技术是20世纪80年代后期发展起来的新兴技术。由于它对产品创新及其快速实现的推动作用很大，越来越受到人们的密切关注。

据不完全统计，到2002年为止，世界上大约有近百家公司和研究单位开发了不同的快速成形系统，在全球已安装了近万台快速成形设备，历年增长情况。
目前占主导地位的快速成形技术有4类：

(1)激光液态树脂固化(SLA)，约占24%；
(2)丝材熔融涂覆(FDM)，约占20%；
(3)选择性激光烧结(SLS)，约占9%；
(4)薄材叠层制作(LOM)，约占9%。
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" @8 h$ c7 P) l; z3 A. g8 e从快速成形应用地区分布看，大约45%的快速成形机安装在美国和加拿大，28%的快速成形机安装在亚太地区，而欧洲只占25%左右。
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我国在高等院校和企业中大约已经安装150台左右不同类型的快速成形机，但是快速制模和快速制造的研究和应用尚处于起步阶段。
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二、快速制模
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快速制模技术，是将传统的制模方法与快速成形技术相结合，使模具制造周期短、成本低、经济效益好，在精度和使用寿命方面能满足生产要求。
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- w1 G0 U( f, ^: i& b2 p8 R$ O) m快速制模有三类方法：母模制作、直接制模和间接制模。
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, o, N* L1 o8 O1 T用各种快速成形工艺制做的原型件都可以作为母模。利用不同的转换技术和方法，将母模复制成所需要的模具。
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' \# `. w" z; S& ?7 V* ]+ A7 R  T例如，对小批量新产品试制，用快速成形制作母模后，可以很方便地复制成硅胶摸，然后借助真空浇注工艺，可用硅胶模直接制造塑料零件。

+ c6 B+ c$ S" ?7 e6 }4 `4 m9 `再如，如果希望获得金属零件，则可通过硅胶模先真空浇注出熔模(易融塑料或蜡)，然后采用熔
/ H$ O. N  ?" b- l4 j模铸造，可制出一定数量的金属零件。
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一辆摩托车的曲轴箱体试制过程(SLA母模→胶模→蜡模→失蜡铸造→铸铝件)此外，我国第一汽车集团采用LOM速成形工艺制作原型件，表面进行特殊耐磨外理后，直接代替木模铸造发动机气缸体也取得了非常良好的效果。采用LOM快速成形工艺制作的纸基模具如图3所示。
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近年来，采用金属粉末选择性激光烧结(SLS)工艺直接制作模具获得越来越广泛的应用。它可在快速成形机上直接将金属粉末烧结成为模芯，而无需经过任何中间铸造工序，故称为直接制模。目前主要有两种不同的工艺方法：

0 R+ H3 g1 T5 G, `0 K(1) 将金属粉末(青铜和碳化镍，钢)用激光烧结成密度约75%的模具零件，再在真空箱中把环氧树脂渗入25%孔隙中，然后在160°C 烘箱中处理2小时，硬化后进行表面抛光。
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(2) 将金属粉末(钢)与塑料粘结剂混合在一起集用激光烧结成密度约55%的模具零件(绿模)，再在真空炉中把青铜渗入45%的孔隙中，最后进行表面抛光。采用的这种工艺方法制成的冲压模(直径110mm)如图4所示，加工200个零件后磨损小于0.08mm。

随着新材料的不断出现，选择性激光烧结可以根据模具承受载荷和热传导的要求，烧结出由不同材料、不同组织结构组成的梯度模具。
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间接制模还可用于制作电加工的电极，由快速成形工艺制作的原型件作为母模，通过表面金属化后，注入电极材料(铜或其他高导电材料)，然后将电极与母模分离，即可获得所需要的电极，再借助电加工工艺制造模具。
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三、直接金属成形系统

近年来，国外正在大力研究使用快速成形的叠层制造原理直接生产金属模具和最终零件的系统，称为直接金属成形系统(Direct Metal System－DMS)。现在已出现了10余种不同的直接金属成形的新方法，其中大多数已经作为商品投放市场。直接金属成形系统就基本工作原理来看，可分为非熔融系统和熔融系统两大类，

+ W+ D- {, b( H, I6 i尽管快速制造在生产率、零件尺寸、精度、表面粗糙度以及成本等问题还有待于进一步解决，但是其前景非常广阔，预计到2010年，直接金属成形系统将会有很大的发展，
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, ]/ w2 @/ q, U/ d* \四、非熔融金属粉末成形系统
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4 n5 c( n3 f$ Q) N. \非熔融直接金属粉末成形系统的基本原理是选择性激光烧结工艺(SLS)的进一步发展，把热塑料粘接剂改为金属粘接剂就称为直接金属激光烧结工艺(Direct Metal Laser Sintering－DMLS)，改为树脂粘接剂就称为直接金属三维打印工艺，直接金属激光烧结工艺(DMLS)是德国EOS公司(www.eos-gmbh.com)首先推出的，其代表机型为EOSINT M 250 Xtended。它可以从CAD文件直接制造注射摸模芯、压铸模和金属零件，材料采用新型钢基粉末DirectSteel 20。由于粉末的颗粒度很细，最小叠层厚度仅为20μm，因此，制成的模具或零件的精度很高，一般仅需进行简单而短暂的微粒喷丸处理，无需抛光就可以作为注射模。这种快速制模方法称为DirecTool，可在3天之内就提供形状复杂的注射模。
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. P/ Q) a! G% U: }% W这种方法制造的模具如果采用抛光处理，可以达到近似镜面的表面质量，成为高质量的模具。此外，还可根据特殊要求，制造中间有冷却孔道的注射模，改善导热性能，缩短加工循环时间。

, y; g% d8 {1 l: T9 Q' a采用DirecTool制成的模具具有良好的机械性能，拉伸强度可达600N/mm2。实践表明，用于注射模模芯可制作1万～10万件塑料件，用于压铸模具，可制作500件以上铸铝合金零件 DMLS工艺还可以用于制造金属原型件、各种设备的金属备件和小批量最终零件。3D和DTM公司也先后推出类似的直接金属激光烧结工艺，只是商业名称不同而已。如3D公司的Laserform等。

& b& C( J3 P2 b# ]5 E直接金属三维打印是美国Extrude Hone集团Prometal公司(www.prometal-rt.com)推出的，它的原理与Z-Corp公司是基本一致的，主要区别在于采用金属粉末材料和树脂粘接剂。Prometal直接金属三维打印机的外观和制成的零件。

% c, |% v, l% W( R! }2 H五、非熔融金属薄材成形系统
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# _1 A3 h4 _8 @4 v非熔融金属薄材成形系统的基本原理是从纸基薄材叠层制造工艺(LOM)的进一步发展而来的，它把纸基薄材改为铝板、钢板或塑料板，然后采取粘接、固化或焊接工艺将不同薄材叠层而制成三维零件。

( g5 a+ y, W/ a2 C2 v6 l$ Y; k$ A最令人感兴趣的例子是德国Zimmermann公司(www.f-zimmermann. com)的叠层铣削中心(Layer Milling Center)，它创造性地将LOM快速成形技术与数控铣削加工的优点结合起来，推出一种新的快速制模方法。LMC叠层铣削中心是一个生产中心，内部结构的布局极其紧凑，主要由板材料库、板材的提升和输送装置、涂胶及化学处理装置和铣削加工区域4个部分组成，LMC叠层铣削中心的外观和内部结构。
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# }( ^( Z- P( ]) h1 y) g: s0 Z) S为了叠层铣削成形的需要以及排屑方便，待加工板材不是安放在工作台上面，而是安放在工作台下面，铣头及刀具朝上，好像整台机床倒过来一样。叠层铣削成形过程的基本原理与纸基薄材叠层制造(LOM)一样的。不同之点首先在于材料的种类和厚度，从纸变为不同材料的板材 ；其次不是用激光切割加工，而是用传统铣削加工。

六、熔融直接金属成形系统
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熔融系统的特点是金属在熔融状态下成形。选择性激光熔融工艺(Selective Laser Melting－SLM)与激光烧结工艺(SLS)的区别在于，它不依靠粘接剂而是直接用激光束将粉末颗粒熔融而制成陶瓷零件、钢模以及各种金属材料及其合金的最终零件。

, V9 \( a& d% w采用选择性激光熔融工艺可以快速制造高精度形状复杂注射模模芯、冲压模、薄壁零件以及医学植入物等。
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七、直接金属熔覆成形系统
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直接金属熔覆成形(Direct Metal Deposition－DMD)也是采用激光束熔融金属粉末，其特点是粉末不是存放在粉箱中，而是通过12根管道送到漏斗式的供粉器中，粉末随着激光束一起，在熔融状态堆砌成零件，

1 I" O& b! q$ [& \! C美国POM公司(www.pom.net)推出的三维直接金属熔覆成形系统可以用于制造各种模具，其主要优点有：

(1) 模具的零件尺寸不受粉箱大小的限制；
- E: X2 Q- c4 }1 O  {& D) w(2) 可用于现有模具的改制和修理；
(3) 可用于模具的表面硬化处理；
. @9 `+ a6 @) r' k9 b(4)可制造复合材料的梯度模具，提高模具的机械性能和热性能。

" [: ^# {4 b+ X- f% D% C! e三维直接金属熔覆成形系统可以制造出几何形状极其复杂的轻结构零件
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八、结束语
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模具是从铸造业开始的。传统的砂型铸造木模和失蜡铸造技术已经有几千年的历史，用于现在制造业的各种模具也历经几百年，而快速制模和快速制造的出现才十几年，正在处于发展阶段。

9 R$ u; q! X+ B9 G8 f  k快速制模和快速制造的基础是快速成形技术，它是基本特点是把三维实体切成为薄片，在两维空间中加工材料，然后再叠加成为三维零件。未来的发展趋势是：

(1)研究开发新的成形方法。快速成形与数控机床和其他传统的加工方式相结合，包括新的叠层成形方法，以提高制件的性能和精度，扩展用于范围，降低生产成本。

(2)成形精度的提高。提高快速成形系统的速度、控制精度和可靠性、优化设备结构，选用性能价格比高、寿命长的元器件，使系统更简洁，操作更方便，可靠性更高，速度更快。
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# ]4 j1 `3 {& ~(3)数据处理速度和精度，研究开发用CAD原始数据直接切片方法，减少数据处理量以及由STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。
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(4)功能材料的直接快速成形，对功能材料进行改造或预处理，使之适合于快速成形技术的工艺要求。从快速成形的特点出发，结合各种应用要求，发展全新的快速成形材料，特别是复合材料，纳米材料、非均质材料等。

' X' t; u: J( z- r- r) N, P(5)目前快速成形技术主要是采用激光作为能源。新的成形能源的研究也是快速成形技术的一个重要方向，例如超声波、电子束等。
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* t) d5 f$ l- H! i- t! W(6)快速制模和快速制造技术的研究。一方面研究开发快速成形制件的表面处理技术，提高表面质量和耐久性。另一方面研究开发与注塑技术、精密铸造技术相结合的新途径和新工艺，快速经济地制造金属模具、金属零件和塑料件。