【摘 要】十幾年來，隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈。尤其是計算機(jī)技術(shù)的迅速普遍和CAD/CAM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得RP技術(shù)得到了異乎尋常的高速發(fā)展，表現(xiàn)出很強(qiáng)的生命力和廣闊的應(yīng)用前景?？焖俪尚渭夹g(shù)發(fā)展至今，以其技術(shù)的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發(fā)展。本文介紹了RP技術(shù)在金屬模具制造中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】快速成形；金屬模具；應(yīng)用

目前，我國金屬工業(yè)正處在迅猛發(fā)展的時期，大學(xué)金屬模具的快速、低成本制造時決定金屬制造業(yè)取得競爭成功的關(guān)鍵因素之一?？焖俪尚渭夹g(shù)（Rapid Prototyping）是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種集計算機(jī)輔助設(shè)計、精密機(jī)械、數(shù)控、激光技術(shù)和材料科學(xué)為一體的全新制造技術(shù)。由于其高度柔性和快速性，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。以快速成形為技術(shù)支撐的快速金屬模具制造作為縮短產(chǎn)品開發(fā)時間及模具制作周期的先進(jìn)制造技術(shù)已成為當(dāng)前的重要研究課題和制造業(yè)核心技術(shù)之一。

1.RP技術(shù)

快速成形技術(shù)又稱快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM）技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。即，快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，其中主要工藝有四種基本類型：光固化成型法、分層實(shí)體制造法、選擇性激光燒結(jié)法和熔融沉積制造法。

快速成形技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用；（2）原型的復(fù)制性、互換性高；（3）制造工藝與制造原型的幾何形狀無關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時更顯優(yōu)越；（4）加工周期短，成本低，成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無關(guān)，一般制造費(fèi)用降低50%，加工周期節(jié)約70%以上；（5）高度技術(shù)集成，可實(shí)現(xiàn)了設(shè)計制造一體化。

2.RP技術(shù)在金屬模具制造中的應(yīng)用

基于RP 技術(shù)的金屬模具制造技術(shù)的實(shí)質(zhì)是用先進(jìn)的精密熱加工代替冷加工，大型快速原型制造系統(tǒng)本身也是一種復(fù)雜的NC加工設(shè)備， 它的出現(xiàn)大大改變了模具制造的現(xiàn)狀。該技術(shù)將NC加工技術(shù)從冷加工轉(zhuǎn)移到熱加工，以獲得精密的“毛坯”即模具。先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的事實(shí)證明精密熱加工使得“毛坯”精化，甚至制造出精密的零件，從而減少了對冷加工的技術(shù)要求，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。

RP技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，是綜合了計算機(jī)、數(shù)控、激光、新材料和CAD CAM等新技術(shù)而形成的一種基于離散堆積成形原理的直接從CAD三維模型設(shè)計到實(shí)際原型？觟零件加工的全新制造方法，是當(dāng)代制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)。RP技術(shù)的基本原理是離散？觟堆積成形原理，三維形體在離散過程中被沿1至3個方向分解，生成形體的各個截面、截線和截點(diǎn)，稱之為離散面、離散線和離散點(diǎn)，將這些離散體（面、線和點(diǎn)） 轉(zhuǎn)換成實(shí)體，并將它們依照原先的順序堆積還原成三維形體的實(shí)體形狀。RP技術(shù)的特點(diǎn)是通過離散獲得材料堆積的路徑、順序和方式，在數(shù)控系統(tǒng)控制下將材料逐層“迭加”起來形成三維實(shí)體，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化成形， 三維CAD電子模型被沿Z向離散，生成一系列二維層面數(shù)據(jù)，再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加入加工參數(shù)，生成數(shù)控代碼，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式順序加工出每個層片并使它們堆積、粘接成形，構(gòu)成三維物理實(shí)體。

3.具體方法研究

基于RP的快速金屬模具制造技術(shù)分為間接方法和直接方法。金屬模具間接快速制造目前主要有鑄造、粉末燒結(jié)、電鑄、熔射等方法。國內(nèi)外在此方面已有許多研究及應(yīng)用事例。直接快速制造金屬模具方法在縮短制模周期、發(fā)揮材料性能、降低成本方面極具潛力，因而受到高度關(guān)注，其目標(biāo)是直接快速制造耐久、尺寸及表面精度高、可用于工業(yè)化批量生產(chǎn)的金屬模具，如SLS等方法。

3.1鑄造制模法

鑄造法最早實(shí)現(xiàn)與RP技術(shù)相結(jié)合，其中有代表性的是美國3D Systems公司的Quick Casting工藝，特點(diǎn)是采用SLA原型代替蠟?zāi)?shí)現(xiàn)精密鑄造。類似的還有采用FDM制造蠟?zāi)５取睦碚撋现v鑄造法可以制造注塑模、沖壓模、鍛造模、壓鑄模等，但在大尺寸模具和簡單形狀模具制造方面不優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且因鑄造法本身的表面和尺寸精度不高，仍難以制造注塑模和壓鑄模等表面和尺寸精度要求高的金屬模具。

3.2粉末燒結(jié)法

3D Systems公司的Keltool工藝是在原型或硅膠模內(nèi)注入金屬粉末與結(jié)合劑的混合物，待其固化后脫模，經(jīng)燒結(jié)、浸滲樹脂或銅、錫等工序后獲得模具。其優(yōu)點(diǎn)類似粉末冶金法，使用材料限制少。不足之處是復(fù)制、燒結(jié)、浸滲等工序多，致使制模時間和成本的增加。采取添加微細(xì)球狀粉末等措施，已使尺寸精度控制在0.3%以下。

東京大學(xué)中川威雄研究室開發(fā)的粉末注入Power Casting方法與前者的區(qū)別是，先將粉末注入硅膠模內(nèi)，然后注入結(jié)合劑。經(jīng)加壓、燒結(jié)、滲銅等工序后得到不銹鋼模具。該方法精度高于前者，但工藝繁雜，不適于制造大尺寸模具。

3.3 SLS方法

SLS的工藝大致是，用激光對基底上所鋪的薄層粉末有選擇地?zé)Y(jié)，然后將新一層粉末鋪在其上，進(jìn)行下一層燒結(jié)。反復(fù)進(jìn)行逐層燒結(jié)和層間燒結(jié)，最終將未被燒結(jié)的支撐部分去除就得到與CAD形體相對應(yīng)的三維實(shí)體。由于得到的只是低密度的成形體，要提高密度需要燒結(jié)、浸滲等后處理工序，這就增加了制模時間和成本，同時因熱變形易造成翹曲。目前該方法的制模精度大為改善，收縮率已由原來的1%降至0.2%以下。

4.總結(jié)

在我國已經(jīng)在很多城市建立一批向企業(yè)提供快速成形技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu)，并開始起到了積極的作用，推動了快速成形技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用，使我國RP 技術(shù)的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場化的軌道。在知識產(chǎn)權(quán)壁壘森嚴(yán)的今天，核心技術(shù)一旦落后將極大增加趕超世界先進(jìn)水平的難度。因此在開展快速成形技術(shù)研究，趕超該領(lǐng)域世界先進(jìn)水平的同時，開發(fā)具有原創(chuàng)性的短流程高精度快速制模的新材料和新工藝，形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的RP核心技術(shù)尤為重要。開發(fā)短流程、高精度、低成本的大中型耐久金屬模具的制造新工藝和材料是增強(qiáng)間接制模競爭力的關(guān)鍵；低成本的層積和表面光整技術(shù)的集成是提高直接法的尺寸及表面精度、材料適應(yīng)性、實(shí)用性的有效方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Zhang Renji.Xu Da；Yan Yongnian Forming boundary model for rapid prototyping Manufacturing.1998.

[2]模具制造手冊.編寫組模具制造手冊，1996.

[3]Xu Da.Liu Yuan；Zhang Renji Study on unbaked ceramic mold casting processes based on rapid prototyping technology 1998

[4]王峰.基于并行控制原理與技術(shù)的大型快速成形系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[學(xué)位論文].1999.