基于快速原形制造技術的模具制造

■ 中國重汽集團濟南橋箱有限公司 （山東 250022） 劉勝勇

1. 快速原形制造概念

隨著工藝、材料和裝備的日益進步，模具產業賴以堅持的材料去除方式的切削加工正被效益顯著的材料離散/堆積方式的快速原形制造所替代。相比前者，后者既適合復雜結構模具的快速經濟制造，又能降低個性化、定制生產和創新設計的加工成本，還可做到無模化的綠色、節能、低碳、環保型制造。機械制造方法如圖1和圖2所示。

圖1 材料去除的減材制造

圖2 材料離散/堆積的增材制造

作為快速經濟模具制造技術的一個分支，快速原形制造是在離散/堆積（即材料疊加）成形思想下，先通過立體光固化成形（SLA）、疊層輪廓制造（LOM）、激光粉末燒結/熔化成形（SLS/SLM）、熔融沉積制造（FDM）和三維打印成形（3DP）等增材制造工藝快速自動地獲得制件原形，再通過一些具有精細化、自動化、信息化機能的快速制模方法，獲得長壽命的金屬模具或低壽命的非金屬模具。簡言之，模具的快速原形制造可分為快速成形和快速制造兩個環節。

從廣義角度講，模具快速成形是以設計數據為基礎，將液體、粉末、線材或塊材等成形材料變為所需工藝形態后，經由具有高精、柔性、數字及自動等特點的成形機按預定輪廓軌跡累加起來，快速得到制件原形。

2. 立體光固化成形（SLA）

立體光固化成形（Stereo lithography apparatus，簡稱SLA）工藝是以液態光敏樹脂為原料，在成形機的數控系統控制下，激光束按零件各分層截面的預定輪廓軌跡掃描并固化，形成零件的第1個薄層截面；然后工作臺下降一個分層厚度，在已固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，以便進行第2層掃描固化。新固化層牢固地黏結在前一層上。如此重復，直到整個制件原形制造完畢。SLA工藝具有精度高、功耗小等優點，現已發展為基于數字光處理技術的動態掩模投影式SLA（見圖3）。立體光固化成形案例如圖4所示。

3. 疊層輪廓制造（LOM）

圖3 動態掩模投影式SLA原理

圖4 立體光固化成形案例

疊層輪廓制造（Laminated object manufacturing，簡稱LOM）工藝是利用激光等工具，按照計算機提取的制件橫截面輪廓線，在數控系統的控制下，逐層切割/堆積薄板材料——紙板、塑料板或金屬板，最終形成對應材質的三維實體。各層紙板或塑料板間的結合常用粘接劑實現，各層金屬板間的結合常用焊接（熱釬焊、熔化焊或超聲焊接等）或螺栓聯接實現。LOM工藝具有省時、便于制作中大型厚實制件等特點，其原理和案例分別如圖5、圖6所示。

4.激光粉末燒結/熔化成形（SLS/SLM）

激光粉末燒結（Selective laser sintering，SLS）工藝采用CO2激光器（或Nd：YAG激光器）作能源，選擇尼龍、聚丙乙烯、尼龍＋鋁粉、黏結劑＋陶瓷粉、黏結劑＋金屬粉、鑄造用樹脂覆膜砂＋玻璃纖維等粉末為工藝材料，借助選區激光成形機，由激光束按照計算機提取的制件分層輪廓進行選擇性的燒結，逐層鋪粉（100～200μm/層）和燒結，并經打磨、烘干等處理后，最終形成三維實體。熔化成形（Selective laser melting，SLM）工藝與S L S工藝有異曲同工之處，它們均需選取激光成形機分層處理工藝材料，但在制件成形時，SLS為粉末半固態液相燒結，粉粒表層熔化并保留其固相核心，SLM為粉末完全熔化。

國內外研制的SLS/SLM成形機數量較多，其工作原理大致相同，只是供粉系統和激光掃描系統有所差別。供粉系統一般有下供粉和上供粉兩種結構形式（見圖7），激光掃描系統一般有振鏡掃描式和激光頭掃描式（見圖8）兩種。

5. 熔融沉積制造（FDM）

FDM（Fused deposition modeling）工藝也叫熔絲沉積制造，它是利用電加熱法等熱源熔化特定直徑和成分的絲狀材料，由三軸控制系統移動熔絲材料，逐層堆積成形三維實體，其過程示意及案例如圖9所示。材料（通常為低熔點塑料，如ABS、PC等）先制成絲狀，通過送絲機構送進噴頭，在噴頭內被加熱熔化；噴頭在計算機控制下沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，將熔化的材料擠出并迅速固化、與周圍材料黏結；經層層堆積成形而完成原形制造。

圖5 疊層輪廓制造（LOM）原理

6. 三維打印成形（3DP）

3DP（3D printing）工藝是采用打印頭、噴嘴或其他打印機，通過流化處理使成形材料變為可噴射的流態“墨水”，借助多種形式的精細噴頭實現“墨水”的配送和操控，按需噴射并逐步堆積為三維實體。

3DP中材料變為“墨水”的主要方法有：用溶劑使可溶材料溶解為液態“墨水”，加熱使可溶材料轉變為熔融態“墨水”，用分散劑使固態微粒轉變成懸浮液、漿料、膠體等種類的“墨水”，用噴霧裝置使熔化材料或含有金屬、陶瓷微粒、細胞的懸浮液、漿料轉變成霧滴流“墨水”，用高速氣流使固態微粒流化成粉粒流“墨水”。3DP按照實現可控噴印而施加于噴頭的使能動力形式，主要分為壓電驅動式、氣動式和電動式三大類，所使用的“墨水”黏度依次為低黏度、中低黏度和高黏度。3DP工藝過程示意及案例如圖10所示。

7. 模具快速制造及裝備

圖6 疊層輪廓制造案例

常見模具處理方式及所用裝備

圖7 SLS/SLM成形機供粉系統示意

圖8 SLS/SLM成形機的激光頭掃描式系統

圖9 熔融沉積制造工藝過程示意及案例

圖10 3DP工藝過程示意及案例

常見模具處理方式及所用裝備如附表所示。經由模具快速成形工藝獲取的絕大多數制件原形被用于產品研發的設計溝通、產品試制的裝配測試以及產品投產前少量修改等，但有些制件原形需進行打磨、拋光、噴涂和機加工等必要的后續處理——快速制造，才能促進制模效率、保證成形精度、提高使用壽命以及節約開發成本。這些處理任務均離不開現代化模具裝備的高效應用。

模具快速制造裝備在模具快速成形過程中扮演著重要的角色，其控制精度直接會影響模具成形精度，其傳動效率直接會影響模具經濟效益，其復雜系數關乎著模具制造樣式。因此，模具企業要在快速制模的各個環節普及應用數控裝備，借助傳感器技術和互聯網平臺采集制模過程數據和裝備運行數據，實現模具全價值鏈的信息和數據的綜合管理與共享，以適應模具個性化需求。

8. 結語

模具的快速原形制造需在設計階段全面普及CAD/CAM/CAE技術，在制件原形階段大量采用經濟型新材料和快速制模工藝，在批量制模階段廣泛使用現代化數控裝備和智能機器人，力求早日實現數據共享化、過程自動化、裝配無人化及供需定制化的“四化”目標。

[1] 劉勝勇. 模具行業國產數控裝備發展對策[J]. 金屬加工（冷加工），2017，784（11）：Ⅷ，1-3.