快速模具制造技術的現狀及其發展趨勢

魏海燕　閔祥娜　段祥宇

摘 要：快速成型與制造（RP&M）作為誕生僅十余年的先進制造技術，已成功地實現了快速原型制造，目前已向快速模具制造（RT）方向迅速發展。主要介紹快速制模尤其是快速金屬模具制造（RMT）技術的現狀和發展趨勢，比較和分析了模具快速制造的間接法和直接法的特點和問題，探討了快速模具制造技術發展面臨的關鍵問題及其應用前景。

關鍵詞：快速成型與制造；快速制模；快速制造金屬模具；間接法；直接法

近10年來，制造業市場環境發生了巨大的變化，迅速將產品推向市場已成為制造商把握市場先機的重要保障。因此，產品的快速開發技術將成為贏得21世紀制造業市場的關鍵。

1.快速模具制造技術產生的背景

模具是制造業必不可少的手段，其中用得最多的有鑄模、注塑模、沖壓模和鍛模等。傳統制作模具的方法是：對木材或金屬毛坯進行車、銑、刨、鉆、磨、電蝕等加工，得到所需模具的形狀和尺寸。這種方法既費時又費錢，特別是汽車、摩托車和家電所需的一些大型模具，往往造價數十萬元以上，制作周期長達數月甚至一年。而基于RPM技術的RT直接或間接制作模具，使模具的制造時間大大縮短而成本卻大大降低。由于產品開發與制造技術的進步，以及不斷追求新穎、奇特、多變的市場消費導向，使得產品（尤其是消費品）的壽命周期越來越短已成為不爭的事實。

2.快速制模技術的發展簡況

隨著多品種小批量時代的逐步來臨和企業要求模具能保證新產品快速占領市場，開發快速經濟模具越來越引起人們的重視，。水泥、陶瓷制作的汽車覆蓋件模具還有待進一步改善。相比之下，由于金屬材料具有優良的綜合性能，金屬模具低成本快速制造成為RPN技術的努力目標。世界先進工業化國家的RPM技術在經歷了模型與零件試制、快速軟模制造階段后，目前正向快速硬模即金屬模具制造（RMT）方向發展，RMT已成為國際RPN技術應用研究開發的熱點。

2.1間接制模法

在直接制模法尚不成熟的情況下，目前具有競爭力的RMT技術主要是粉末燒結、電鑄、鑄造和熔射等間接制模法。上述各種間接法都具有快速經濟的特點。但相比之下，鑄造法和粉末燒結法尺寸變化大，制模精度不高。電鑄復制精度雖高，但制模時間長、受電鑄材料種類限制且需處理廢液污染。熔射法具有模具材料種類和制模尺寸規格限制小、復制精度高等優點。

2.2直接制模法

直接法尤其是直接快速制造金屬模具（DRMT：Direct Raoid Metal Tooling）方法在縮短制造周期、節能省資源、發揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潛力，從而受到高度關注。目前的DRMT技術研究和應用的關鍵在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保證其綜合性能質量，從而直接快速制造耐久、高精度和表面質量能滿足工業化批量生產條件的金屬模具。目前已出現的DRMT方法主要有：以激光為熱源的選擇性激光燒結法（SLS·Se—lective Laser Sintering）和激光生成法（LG·Laser Generating）；以等離子電弧等為熱源的熔積法（PDM：Plasma Detmsition Method，或PPW：Plasma Powder Welding）；噴射成形的三維打印法（3DP：Three—Dimensional Printing）。

等離子熔積法（PDM）具有使用材料范圍廣、能獲得滿密度金屬零件的特點。起源于前德國Kruoo和Thvssen公司的埋弧焊接，能夠實現大型或特大型容器的成形焊，其機械性能、組織優于鑄鍛組織，通過適當選擇工藝參數可以減少殘余應力和裂紋發生，提高堆焊高度。此外，薄鋼板的LOM技術也可制造金屬模具，但疊層間需焊接等緊固處理，且材料利用率低，薄板熱變形也影響成形精度和粗糙度。

3.基于RPM的快速模具制造方法

3.1用快速成形機直接制作模具

由于一些快速成形機制作的工件有較好的機械強度和穩定性，因此快速成形件可直接用作模具。例如，Stratasys公司TITAN快速成形機的PPSF制件堅如硬木，可承受300℃高溫，經表面處理（如噴涂清漆，高分子材料或金屬）后可用作砂型鑄造木模、低熔點合金鑄造模、試制用注塑模以及熔模鑄造的壓型。

3.2用快速成形件作母模，復制軟模具（Soft tooling）

用快速成形件作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環氧樹脂、聚氨脂等軟材料，構成軟模具，或先澆注硅橡膠、環氧樹脂模（即蠟模的壓型），再澆注蠟模。其中，蠟模可用于熔模鑄造，而硅橡膠模、環氧樹脂模等可用作試制用注塑模或低熔點合金鑄造模。

3.3用快速成形系統制作電脈沖機床用電極

用快速成型件作母體，通過噴鍍或涂覆金屬、粉末冶金、精密鑄造、澆注石墨粉或特殊研磨，可制作金屬電極或石墨電極。

4.展望

鑒于模具技術在制造業中所處的關鍵地位，快速制模尤其是快速制造金屬模具技術的開發研究受到高度關注，概括該技術面臨的關鍵問題和發展趨勢有以下幾個特點：

（1）快速軟模及陶瓷等模具的使用范圍受到限制，壓鑄、注塑、沖壓等主導模具的金屬模具快速制造是RPN技術努力的目標。

（2）基于堆積成形原理的直接制模法在表面及尺寸精度、綜合機械性能等方面尚難以滿足高精度、高表面質量的耐久模具制造要求，且成本高、尺寸規格受限制。以低成本且適于精細加工及多種材料成形的堆積和去除成形技術集成，將是提高直接制模法的實用性、材料適應性和表面精度的有效方法。

（3）快速制模法適合我國國情，具有廣闊的應用前景。與高速銑削加工相比，在表面帶精細復雜形狀和電火花加工難以省去的金屬模具制造方面占有優勢。要進一步提高快速制模技術的競爭力，必須開發加工數據生成較數控加工數據生成更容易，并能獲得所需的尺寸及表面精度材料選擇范圍廣的直接快速制模新方法。

參考文獻：

[1] 黃毅宏主編.《模具制造工藝》.機械工業出版社

[2]《模具制造手冊》.模具制造手冊編寫組編.機械工業出版社

[3]（日）吉田弘美著，王旭譯.《模具加工技術》.上海交通大學出版社

[4]《快速模具制造技術的現狀及其發展趨勢》.中國現代制造網