快速成型技术及其在模具制造领域的应用

陈亘宇

（郑州大学，河南 郑州 450000）

【摘　要】快速成形技术是20世纪80年代的一种崭新的集精密机械、数控、材料科学、激光技术和计算机辅助设计为一体的制造技术。由于其快速性和高度柔性，已经得到广泛的应用和研究。以快速成形为技术支持的快速模具制造作为缩短产品开发时间及模具制作周期的先进制造技术已成为当前的重要研究课题和制造业核心技术之一。本文介绍了快速制模方法与快速成型技术特点，阐述了快速成型技术在快速制模领域的应用，并指出了快速成型制模的发展不足之处。

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关键词 快速成型技术；模具制造；快速工模具

0　前言

世界经济的快速发展，使制造业市场竞争的日益激烈，企业为了保持活力，不断提高产品质量和其领先的产品性能，不断研究和开发新产品。企业家们今后将把超越竞争对手的开发周期和降低新产品开发成本作为主要目标。因此，企业界高度重视在20世纪80年代的快速原型制造技术，也成为一个热门的研究课题在国内外高校和科研机构。然而，由于使用材料的限制的快速成型制造方法，还不能完全替代最终产品。在新产品投放市场试运行后，其功能测试和获得用户的反馈准确的信息方面，还需要通过实际的材料制成的产品。所以，还需要利用RP原型为母模制造模具，这样就产生了基于RP的快速模具制造技术（RT）。通过理论研究和10年的实际应用，该技术显示出了强大的生命力，现已成为模具制造行业的一个热点。本文重点介绍基于快速原型制造技术的快速模具制造方法。

1　快速成型

1.1　快速成型技术

快速成型技术（简称RPM）是综合精密机械、计算机辅助设计、数控技术、激光技术、电子技术及材料科学是一个跨学科领域的新的制造技术。一般来说，快速成型技术首先是使用三维CAD数据，再通过快速成型机，制作成一个原型。

快速成型技术的原理是离散/堆积成型原理，在离散过程中，三维形体被沿1至3个方向分解，生产形体的各个截线、截点和截面，称之为离散线、离散点和离散面，将这些离散体（点、线和面）转换成实体，并把它们按照原来的顺序堆积还原成三维形体的实体形状[1]。

1.2　快速成型技术特点

快速成型技术的特点是获取路径，秩序和离散物质积累的方式，在材料“叠加”在一起，数控系统的控制下，形成一个三维实体的连续层，实现数字化成形，成形过程如图1所示。三维CAD模型沿Z向离散，生成一系列二维水平的数据，然后将数据分层处理后，添加加工参数，使其生成原码，通过加工平面加工订单处理每一层的数控系统并使其堆积，粘结成形状，形成一个三维实体。

1.2.1　快速性[2]

从CAD规划到样机生产的零件，差不多仅仅有几至几十刻钟，速度比传统的成型方法更快，快速成型技术用于新产品的开发和管理是特别适合。

1.2.2　设计制造一体化

落后的CAPP系统已经实现和制造难以克服的快速原型设计一体化的障碍，由于离散堆积处理，CAPP不再困难，CAD和CAM可以是一个很好的组合。

1.2.3　自由成形制造

自由的含义有二：一是根据零件的形状，无需特殊工具来限制自由的形成，可以大大减小新产品研制时间；二是，不受复杂零件形状限制的影响。

1.2.4　高度柔性

在CAD模型的改变下，并重新调整设置参数即可生产不同形状的模型。

1.2.5　材料的广泛性

快速成型技术可以生产塑料树脂类原型，你还可以创建一个金属材料、复合材料、石蜡类和纸类、金属和陶瓷材料的原型。

1.2.6　技术的高度集成

RP是计算机技术、计算机、快速成型技术、数控技术、综合数据，激光，材料和机械控制的集成，只有高度发达的技术在激光器件和电力今天，才具有这样时代特征的快速成型技术。

1.2.7　加工特点

快速成型技术突破“空白模切产品”的传统加工模式，创造一个先例，没有工具的部分，是一个前所未有的叠加层的处理方法。与传统的切削加工方法相比，快速原型工具，具有以下优点：

1）快速制造自由表面和形状复杂的零件，如槽、凸肩部分和空心部分，零件的复杂性和大批量生产，制造成本基本无关，大大降低了成本以及新产品研制周期；

2）它是一种非接触式加工，不需要必要的工具和机床切削夹具，刀具磨损和切削力；

3）振动小，噪声小和减少浪费；

4）它可以在夜晚实现自动化生产；

5）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。

2　快速制造模具

2.1　快速模具制造技术

为了得到真实的物质产品，并迅速形成了批量生产能力，将产生一个基于间接成型方法快速模具方法。根据材料的不同，模具成型方法间接产生的一般分为软质模具和硬质模具硬两类。

2.1.1　软质模具[3]

软模具由于使用软性材料（如硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金、锌合金、铝等）被命名后，不同于传统的钢铁材料，由于其制造成本低，生产周期短，所以产品的功能测试和试运行，为在投资市场新产品开发过程的防御。国防、航空和小批量生产等领域的高度重视。特别适用于小批量，现代制造模式的变化，快速的变化。

目前提出的软质模具制造方法主要有硅橡胶浇注法、电铸法、金属喷除法、树脂浇注法等。软模的主要制造方法有硅橡胶浇注法、电铸方法、金属喷涂法等。

1）硅橡胶浇注法

硅橡胶模具铸造生产由于其良好的柔韧性和弹性，可以产生复杂的结构，精美的图案，无拔模斜度或向下有深槽部分，已经吸引了相当多的关注。

2）树脂浇注法

硅橡胶模具仅适用于少数产品，如果产品数量的增加，可用于环氧树脂模具快速成型系统。它是用有机或无机复合材料作为基体材料的液体环氧树脂，一个原型压铸模具成型的方法。

3）金属喷涂法

金属喷涂的方法是基于RP8d原型为矩阵模型，低熔点的金属或合金喷涂在模板上形成的金属壳表面，然后背填料及快速模具。金属喷涂法具有工艺简单，周期短的优势，腔和表面纹理在一次成型，耐磨性好，在生产过程中的高精度要解决涂层与曲面拟合和原型。

4）电铸制模法

金属喷涂、电铸成型的原理和过程是相似的。它是利用电化学的原理，在原型表面电解金属沉积，再用相应材料制作模具。电铸法制造模具复制好精度高，适用于高精度，形状均匀、形状不规则图案的模具，如人物死亡，儿童玩具和鞋模等。

2.1.2　硬质模具

软模的产品数量一般50~5000件，为数千甚至数百成千上万的产品，仍然需要传统的钢模具，模具硬指的是钢模，使用原型RP&M的铸造方法，电火花加工钢模的主要生产方法，陶瓷铸造等。

1）电火花加工法

电火花加工是一个使用RPM原型EDM电极的制作，然后用钢模具电火花加工，制作过程是：RPM原型，然后是三维砂轮，最后是石墨电极。

2）熔模精密铸造法

在钢模批量生产可用于熔模铸造。这种方法是根据原型系统或软蜡模具生产RPM原型的使用，生产的钢模采用熔模生产工艺。几乎所有的RPM原型可以作为母模精密铸造。

3）陶瓷型精密铸造法

对于单件或小批量生产可采甩陶瓷钢模铸造。工艺流程；RPM原型模具挂陶瓷砂浆在焙烧炉模壳模燃烧预热模具钢铸造腔腔表面固化。

2.2　快速成型制模技术的应用[4-5]

2.2.1　在汽车工业中

在汽车行业，覆盖总的特点是：材料薄，尺寸大，形状复杂，表面质量高。一个由身体最有个性和改变面板，加工制造，模具投资大，风险大，成本高，周期长。制造的快速模具制造方法是由华中科技大学开发，喷涂高熔点合金，具有模具精度高，表面质量好，经济耐用，模具尺寸的限制，产品可以形成批量的特点，对中国汽车，摩托车覆盖件模具的生产潜力。此外，快速模具制造技术制造，也可以用在汽车，摩托车，发动机，气缸盖和内部的其他部分。

2.2.2　在航空航天工业中

在航空航天工业，如模型火箭发动机壳体泵样机零部件的制造，与传统的硬加工法加工的产品，必须通过模具原型。据估计，8个月的开放时间，至少300000元的费用。用快速成型方法制成的塑料产品样品为模板，将硅模具。凹模固定在标准模具，浇注硅橡胶等待12~20h，待完全固化硅橡胶沿预定的分模线割一刀划开，对砂型铸造，泵壳铸件合格件可在2个月内生产完成，必要的加工之后，就可以安装运行。试验全期是原来方法的2/3，成本节约3/4。

3　结束语

快速成型技术的应用已从原型到模具制造业的发展，传统的模具制造技术将迎来新的创新时代，同时，快速成型技术成功应用于快速模具领域无疑将注入新的活力，快速成型技术的进一步发展。它最终会进入制造过程中的关键部分，快速制造是这一趋势的反映和要求。值得注意的是，现在的快速原型制造工艺与传统的机械制造成本相比还是比较高的，不要指望快速成型的方法来代替传统的大规模生产方式，即使数值的制造成本是一天的快速成型技术和未来的时间减少到1%的存在价值。它在任何情况下，注射成型方法也是不能比的。需要注意的是，伴随着快速成型技术的一步步的发展，它是在小批量生产和单拷贝或有一个辉煌的未来。第三件要注意的事是，模具制造业贡献的快速成型技术，虽然迅速提高质量和当前的生产生活是不完美的，实践证明，模具和注塑可以适用于所有的小批量生产，快速模具制造技术，相信会有短期的重大突破。

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参考文献

［１］徐达,宋玉华,张人佶,颜永年.基于快速成形技术的汽车覆盖件金属模具制造[J].清华大学学报:自然科学版,2000,40(5).

［２］夏卿坤.快速成型技术[J].长沙大学学报,2005,19(5).

［３］王广春,赵国群,杨艳.快速成型与快速模具制造技术[J].新技术新工艺,2000,9.

［４］李仁杰,赵福令.基于快速成型技术的快速模具制造[J].电加工与模具,2005,9:47-50.

［５］焦向东,邓双成,张沛,佟泽民.基于快速成型原理的模具制造技术[J].石油化工高等学校学报,2002,15(1):42-46.

［责任编辑：汤静］