快速模具技術現(xiàn)狀及其應用研究

鄭志敏

摘 要：現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)競爭越來越激烈，產(chǎn)品的生命周期也越來越短，現(xiàn)代產(chǎn)品的發(fā)展趨勢已向輕、薄、短、小、高精度、多功能、人性化的方面發(fā)展，使得產(chǎn)商背負的研發(fā)更新壓力越來越沉重。加之顧客不但要求產(chǎn)品具有良好的性價比，更期望自己的需要能夠得到時效上的滿足。而快速模具技術的特色就是“快”，能夠加速新產(chǎn)品的開發(fā)上市，因此，文章從快速模具技術的現(xiàn)狀及其應用狀況進行研究和闡述。

關鍵詞：快速原型技術；快速模具；模具制造

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）2-0119-02

在這個競爭激烈的時代，如何縮短產(chǎn)品開發(fā)時間已成為各廠商亟待研究與解決的問題。誰能在最短時間內(nèi)以最少的經(jīng)費推出新產(chǎn)品，誰就能在這個競爭激烈的年代搶得先手，保持市場的領先優(yōu)勢。而目前工業(yè)生產(chǎn)在其應用上，產(chǎn)品的開發(fā)流程通常可以分為三個階段，即設計、試制以及正式量產(chǎn)。然而在正式量產(chǎn)之前，各廠商常需要投入大量的時間、人力、物力、財力去解決設計、試制的問題，在試制完成之后又需要結合設計與實際情況對產(chǎn)品進行改進。若能在設計、試制階段節(jié)省開發(fā)時間及費用，則對于產(chǎn)品的時效性以及成本競爭性有極大的幫助，因此，快速原型技術是基于以上所述的因素發(fā)展起來的。

快速模具技術可以被視為快速原型技術的延伸，讓快速原型技術原有的在開發(fā)階段的優(yōu)勢直接延續(xù)應用到生產(chǎn)上，運用快速模具技術可以快速的量產(chǎn)產(chǎn)品，從而能夠達到快速制造的目的。如果某些產(chǎn)品僅作為試探市場的產(chǎn)品，則可以在成本最小的情況下，進行小規(guī)模少量生產(chǎn)，借以了解消費者的需求情況。所以，快速原型技術在廠商生產(chǎn)過程中有重大的意義。

1 快速模具技術概況

快速模具技術的現(xiàn)狀可以分為兩方面來闡述，即直接制模法（直接快速模具）、間接制模法（間接快速模具）。

1.1 直接制模法

直接制模法是運用快速原型機直接制作出可以量產(chǎn)的模具的型芯，在此基礎上再進行后續(xù)的加工與處理，如：型芯加工、模座安裝、頂桿的制造等，獲得模具所要求的機械性能、尺寸精度和表面粗糙度，這樣就可以得到直接用于量產(chǎn)的模具。

目前，能夠直接制造金屬模具的快速原型工藝包括SLS、3D-Welding、SDM、3D-Welding等。直接制模法的技術涵蓋了直接生產(chǎn)能夠承受較高負荷的金屬材料工件或量產(chǎn)用模具，有許多企業(yè)與機構以采用該方法進行產(chǎn)品的研發(fā)或科研，如：DTM公司、Extrude Hone公司、EOS公司、Stanford大學及Opomet公司等。

盡管直接制模法有其獨特的優(yōu)點，包括制造環(huán)節(jié)簡單、能夠充分的發(fā)揮快速原型技術等，對于那些需要復雜形狀內(nèi)流道冷卻系統(tǒng)的模具與零件，采用直接制模法有著其他方法不能替代的優(yōu)勢。但是，它在模具精度與性能控制方面有較大的難度，此外模具的尺寸也受到了較大的限制。

1.2 間接制模法

間接制模法是運用快速原型機制作出一個想要得到的產(chǎn)品外型的原型件，在此基礎上再經(jīng)過翻制的過程得到模具。較之直接制模法，間接制模法通過快速原型技術與傳統(tǒng)的模具翻制技術相結合制造模具，由于這些成熟的翻制技術的多樣性，可以根據(jù)不同的應用要求，使用不同復雜程度和成本的工藝。一方面可以較好的控制模具的精度、表面質(zhì)量、機械性能與使用壽命，另一方面也可以滿足經(jīng)濟性的要求。

間接制模法的技術涵蓋了硅膠模具、精密鑄造、金屬樹脂、金屬噴涂模、3D System等。

2 快速模具技術現(xiàn)狀

目前，在快速模具技術領域中最常使用的方法是以硅膠或金屬樹脂做為暫用模具的材料，其主要原因是硅膠具有良好的韌性與彈性，能夠翻制出結構復雜、花紋精細、無脫模斜度以及一些具有深凹槽的零件，金屬樹脂材料則可以替代鋼模或鋁模進行少量多樣的塑料注射成型。

對于快速模具和傳統(tǒng)模具的不同，可以從三個方面來考量，即：時效、成本、成型件精度。

2.1 時效

對于時效性，模具從設計到制造完成，傳統(tǒng)制造方法需要花費二至三個月時間。如果遇到較為復雜的模具，夾具的制作以及加工編程的復雜程度也會相應的增加，所需要花費的時間自然也增加。此外，對于一些無法使用刀具加工的部分需要制作電極采用CNC加工等。因此，傳統(tǒng)模具在制造模具方面將花費很多時間。

相對來說，快速原型件可以在短短的數(shù)小時內(nèi)就完成加工，經(jīng)過確認無誤后便可進行快速模具加工，并在精密脫蠟法制造過程中大概只需四天時間便能完成，從以上兩點便可以得出在模具加工階段便可節(jié)約不少時間。此外，在開模前若能采用一些模流分析軟件，如：Moldex、Moldflow軟件等，事先模擬注塑成型，除了可以節(jié)省試模時間外，更可以輔助設計人員正確的確定澆口的位置和數(shù)量，從而降低模具開發(fā)的失敗率。

2.2 成本

對于成本，傳統(tǒng)模具的制造在數(shù)控加工的過程中將會造成刀具損耗、產(chǎn)生廢料，尤其是在CNC加工的過程中，會大量消耗電極。相對的，快速模具制造時沒有電極消耗的問題，也不會有廢料的產(chǎn)生。而用價格來說的話，透明硅膠約為3～4萬元/t，金屬硅膠為9～11萬元/t，具有較好的經(jīng)濟性。

2.3 成型件精度

對于成型件精度，傳統(tǒng)模具制造在數(shù)控加工的過程中，刀具的磨損、換刀以及多次裝夾等都會影響到模具精度。快速模具制造過程中，如果能夠妥善控制材料的收縮率，加工精度將能被有效的控制在一定的公差范圍內(nèi)。

3 快速模具技術的應用

以下將舉例闡述國內(nèi)外快速模具新技術的研究及應用，并對相應的應用及研究進行分析。

3.1 溫度感測硅膠快速模具技術

該項研究提出了一種可以對產(chǎn)品從澆注到凝固這段時間內(nèi)，觀察其溫度變化，對硅膠模具進行溫度感測的方法。據(jù)研究結果顯示，將其應用于硅膠模具的研發(fā)具備其可行性，該項技術可以延伸至智能型金屬硅膠模具的制作。憑借熱電偶可以獲得產(chǎn)品在成型過程中的溫度變化情況，而溫度變化情況有助于提升3C產(chǎn)品用于注塑成型過程中的產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 高精度快速模具技術

該項研究以48 CC摩托車引擎為研究對象，運用Solid Ground Curing快速原型機制作引擎氣缸的原型件，并運用該原型件以間接制模法的硅膠模制作快速模具。據(jù)研究結果顯示，引擎氣缸硅膠模具切割可以分五塊完成，這種切割方法是引擎氣缸硅膠模具的最佳切割數(shù)目，優(yōu)點包括：節(jié)省引擎氣缸硅膠模具組裝時間、減少引擎氣缸硅膠模具組件在組裝過程錯誤與引擎氣缸硅膠模具組裝后保持最佳成型精度。將引擎氣缸硅膠模具放置于恒溫箱中以70℃預熱后，再澆注蠟液，可以提升引擎氣缸蠟型澆鑄件的成功率。憑借引擎氣缸蠟型澆注件的尺寸測量可以得出，引擎氣缸的長、寬、高平均收縮率為1%～2.2%，砂芯直徑和方形孔的平均收縮率低于0.5%。

3.3 高強度快速模具技術

金屬樹脂是暫用模具最常用的材料之一，但是金屬樹脂的強度比金屬模具低，當將金屬樹脂應用于注塑成型的暫用模具時，為了防止注塑成型時的高充填壓力對模具造成破壞，通常采用增加金屬樹脂模具的厚度來提高強度，但這樣做會增加金屬樹脂模具的制造成本，并且讓金屬樹脂模具的硬化時間增長。為了改善金屬樹脂快速模具的強度，在該研究當中提出了在金屬樹脂模具制作過程中，添加玻璃纖維片的方法，用以研究其對金屬樹脂強度的影響。根據(jù)研究結果顯示，金屬樹脂添加玻璃纖維片，對于提升金屬樹脂的機械性能有著較為明顯的效果。

3.4 硅膠模具制程參數(shù)優(yōu)化

對于快速模具技術的間接制模法中，硅膠模是最常用的技術之一。由于產(chǎn)品的生命周期越來越短，如何縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間及費用，并且快速推出新產(chǎn)品，則變成了一個重要的研究議題，因此，提升硅膠模具制造效率則變成一個重要的研究方向。根據(jù)研究結果顯示，硅膠和硬化劑的質(zhì)量比為10：1時是最佳比例。調(diào)配后的硅膠置于30～80 ℃的溫度環(huán)境，可以明顯縮短硅膠的固化時間。調(diào)配后的硅膠放置于40～50 ℃的溫度環(huán)境是最佳的預熱溫度，其優(yōu)點包括能節(jié)省硅膠模具的固化時間，模具的型腔收縮率約為5%。

3.5 綠色硅膠快速模具技術

快速模具技術運用于一項新產(chǎn)品的研發(fā)時，被視為一個能節(jié)省時間、節(jié)約成本的方法。基于綠色制造（Green Manufacturing）的概念下，該研究提出了一種綠色硅膠快速模具的制造技術，該技術提供了制程簡單與綠色制造的概念來制造硅膠模具。此技術優(yōu)點包括了模具制造成功率高、減少快速模具制造成本以及具有環(huán)境保護的意義。據(jù)研究結果顯示，綠色硅膠快速模具的材料費用節(jié)省率可達37.76%。

3.6 高成功率快速模具技術

金屬樹脂模具是暫用模具的常用方法之一，然而金屬樹脂模具制造的成功率須大量依賴成熟的人工技術，為了解決人為因素影響金屬樹脂模具制作的成功率，可以借由快速原型技術，用成品的分型面拆出澆注金屬樹脂的反型型芯型腔，進而翻制出金屬樹脂模具的型芯型腔，然而快速原型所使用的材料價格非常昂貴，加上金屬樹脂模具與反型原件的離形問題又是影響金屬樹脂模具制作成功率的關鍵因素，為了提高金屬樹脂模具制作的成功率，該研究提出了一個整合快速原型與快速模具技術于風扇葉片金屬樹脂模具的研制。研究結果顯示，該制程的特色是金屬樹脂模具的制造成功率高、模具表面精度好、模具制造時間短以及模具制造成本低廉。

4 結 語

本文介紹了快速模具的概況、現(xiàn)狀及其應用。通過與快速原型技術相結合，使快速模具技術成為產(chǎn)品快速更新?lián)Q代和新產(chǎn)品研究開發(fā)的有效手段。快速模具技術的應用范圍已能覆蓋至各類大、中、小型模具；將以往傳統(tǒng)機加工制造模具的加工周期由數(shù)月縮短至數(shù)周，極大的提高了效率，保證產(chǎn)品的開發(fā)進度及能夠及早進入市場。同時，降低了模具制造成本，利用廉價的快速模具進行試模，可講模具制造風險降低至最低，實現(xiàn)一次開模成功。

總之，基于快速原型的快速模具技術的開發(fā)和推廣應用將對我國各行業(yè)的無風險開發(fā)新產(chǎn)品和實現(xiàn)產(chǎn)品快速更新?lián)Q代發(fā)揮重要作用，產(chǎn)生可觀的技術經(jīng)濟效益。

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