快速制模与快速制造技术的最新进展

一、引言

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：

激光液态树脂固化(SLA)，约占24%；
丝材熔融涂覆(FDM)，约占20%；
选择性激光烧结(SLS)，约占9%；
薄材叠层制作(LOM)，约占9%。

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。

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。

二、快速制模

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。

快速制模有三类方法：母模制作、直接制模和间接制模。

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。

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。

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)，然后采用熔模铸造，可制出一定数量的金属零件。

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。

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：

(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。

(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。

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。

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。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。

四、非熔融金属粉末成形系统

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。

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。

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。

直接金属三维打印是美国Extrude Hone集团Prometal公司推出的，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。

五、非熔融金属薄材成形系统

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。