莊志雄

（廈門哈隆電子有限公司，福建 廈門 361000）

基于快速成型技術(shù)的快速模具制造

莊志雄

（廈門哈隆電子有限公司，福建 廈門 361000）

摘要：快速成型技術(shù)是一種新的技術(shù)，應(yīng)用在模具制造中，節(jié)約了模具制造的時(shí)間及成本，本文討論了快速成型技術(shù)的工藝方法。

快速成型技術(shù)；快速模具制造；應(yīng)用

1.快速成型技術(shù)

1.1 含義

快速成型技術(shù)英語(yǔ)名：Rapid Prototyping & Manufacturing，縮寫為RP，是20世紀(jì)80年代末90年代初興起并迅速發(fā)展起來的新的先進(jìn)制造技術(shù)。其特點(diǎn)是可以不需機(jī)加工設(shè)備或者模具即可快速制造形狀極為復(fù)雜的工件，從而在小批量產(chǎn)品生產(chǎn)或新產(chǎn)品試制時(shí)節(jié)省時(shí)間和初始投資。快速成型技術(shù)（RP）的成型原理是基于離散-疊加原理而實(shí)現(xiàn)快速加工原型或零件。快速加工原型和快速加工零件指的的并不是一種東西，并且其作用也是完全不同的。前者指的是能代表一切性質(zhì)和功能的實(shí)驗(yàn)件，一般用于新產(chǎn)品的測(cè)試，便于評(píng)價(jià)，而且制作的數(shù)量也是比較少的。而后者值得是最終產(chǎn)品，是可以直接利用的。但是快速加工原型和快速加工零件在生產(chǎn)中使用得都比較多，兩者具有不同的作用，生產(chǎn)商會(huì)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求來選擇其中一種，或者兩種一起使用。

快速成型技術(shù)（RP）的成型過程主要分為以下4步：

第一步：通過計(jì)算機(jī)的CAD軟件，建立好將要生產(chǎn)的東西的三維模型，這是最關(guān)鍵的一步，沒有模型什么都做不了，并且制作的模型一定要完整，便于接下來的操作。

第二步：在計(jì)算機(jī)中，對(duì)建立好的模型進(jìn)行分層切片，雖然這只是一個(gè)模擬過程，但是還是需要盡可能貼近實(shí)際，要沿同一個(gè)方向進(jìn)行切片，不能每次的切片方向都不同，這樣不利于生產(chǎn)，會(huì)增加生產(chǎn)過程中不必要的麻煩。

第三步：把在計(jì)算機(jī)內(nèi)切出來的每一個(gè)薄片的信息傳遞給快速成型的系統(tǒng)中去，并控制這個(gè)系統(tǒng)把原材料逐層加工，逐層疊加，最后形成三維實(shí)體。

第四步：再經(jīng)過一系列的加工處理，最后就形成實(shí)際零件了。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，快速成型技術(shù)（RP）有較大發(fā)展，應(yīng)用非常廣泛，尤其在汽車制造，航天航空，建筑，家電，衛(wèi)生醫(yī)療及娛樂等領(lǐng)域有強(qiáng)大的應(yīng)用。

1.2 分類

目前基于快速成型技術(shù)（RP）開發(fā)的工藝種類較多，可以分別按所用材料劃分，成型方法劃分等。利用激光或其他光源的成型工藝的成型：立體光造型（簡(jiǎn)稱SL），或光固化快速成型；疊層實(shí)體造型（簡(jiǎn)稱LDM）選擇性激光燒結(jié)（簡(jiǎn)稱SLS）形狀層積技術(shù)（簡(jiǎn)稱SDM）；利用原材料噴射工藝的成型：熔融層積技術(shù)（簡(jiǎn)稱FDM）；三維印刷技術(shù)（簡(jiǎn)稱3DP）其他類型工藝有：樹脂熱固化成型（LTP）；實(shí)體掩模成型（SGC）；彈射顆粒成型（BFM）空間成型（SF）；實(shí)體薄片成型（SFP）。

2.典型快速成形工藝方法

2.1 立體光刻技術(shù)

SLA的工作原理采用紫外激光器為能源，把設(shè)計(jì)出來的三維模型進(jìn)行水平切片。

其中紫外激光器有兩種：一種是氦一福激光器，另一種是氨離子激光器。兩種激光器的波長(zhǎng)和功率都是不一樣的，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇。

在對(duì)模型進(jìn)行切片的過程中，可以知道被分層的一些信息，然后計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)這些信息進(jìn)行接下來的處理，讓激光束進(jìn)行掃描，被掃描到的范圍中存在液態(tài)光敏樹脂，它會(huì)變成固體，形成了薄的固體截面。接著工作臺(tái)下降一層的高度，重復(fù)上述步驟，逐層逐層地疊加上去，直到模型制作完成。

模型制作完成之后，不是直接利用的，還需要進(jìn)行硬化處理，不然的話，模型很容易被破壞掉，硬化之后，還需要進(jìn)行打光、電鍍、噴漆，讓整個(gè)模型看起來更加美觀，之后就可以進(jìn)行質(zhì)量檢查了，檢驗(yàn)合格之后就可以進(jìn)行包裝、出售了。

2.2 薄材疊層成形技術(shù)

薄材疊層成形技術(shù)與立體光刻技術(shù)存在一些類似的地方，都有利用到激光，只不過前者是利用激光對(duì)原料紙進(jìn)行切割和粘合，后者是利用激光固化液態(tài)光敏樹脂，并且兩種技術(shù)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品也是不同的，前者生成的是零件的模型，后者生成的是整個(gè)的模型。

在制作過程中，兩者也存在共同點(diǎn)，比如：都是一層一層地疊加，制作的時(shí)候工作臺(tái)都是需要連續(xù)下降的。

下面將具體闡述其制作方法：

第一步，單面涂有熱熔膠的紙通過加壓粘結(jié)在一起，等到計(jì)算機(jī)得到了分層CAD模型的具體數(shù)據(jù)之后，就會(huì)操控激光器對(duì)一層紙進(jìn)行切割，并且是將紙切割成將要制成的零件的內(nèi)外輪廓。

第二步，接著將新的一層紙?jiān)侬B加在上面，重復(fù)上述步驟。

在制作過程中，值得注意的一點(diǎn)是，雖然工作臺(tái)會(huì)連續(xù)下降，但切割掉的紙片不會(huì)隨著工作臺(tái)下降，需要停留在原處，起到一個(gè)支撐和固化的作用。

這個(gè)技術(shù)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一個(gè)是成形速率高，可以節(jié)省不少時(shí)間，能更快地投入生產(chǎn)，第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是成本比較低，及時(shí)制作毀了，也不會(huì)損失太多，并且其質(zhì)量還是非常好的。

2.3 選區(qū)激光粉末燒結(jié)技術(shù)（SLS）

SLS利用的是激光束，原理還是逐層制造。激光束可以有選擇地把工作臺(tái)上粘結(jié)的金屬粉末或者廢金屬粉末融化，等到燒結(jié)成型之后，就形成了一個(gè)截面。相同的道理，再鋪上一層粉末，在此利用激光束進(jìn)行燒結(jié)，就這樣逐層制造，逐層粘結(jié)，最后制造出三維實(shí)體。

SLS的優(yōu)點(diǎn)就是在于它可以直接燒結(jié)粉末，不需要將粉末融化后再成形，而是直接成形，并且這種技術(shù)的成形材料范圍是非常廣泛的，大部分材料都適合。

2.4 熔融沉積成形技術(shù)（FDM）

這種技術(shù)加工的原材料不像SLS是粉末，而是絲材，但是這些絲材是要在融化之后再利用的，融化地點(diǎn)就是在噴頭中，然后才進(jìn)行進(jìn)一步的加工。

2.5 三維打印技術(shù)（TDF）

這種技術(shù)不依賴激光，它是通過噴頭噴射出液態(tài)材料形成三維實(shí)體，當(dāng)然這種液態(tài)材料也是有要求的，它不能像水一樣，完全沒有可塑性，要求需要具有一定的可塑性，能夠很好地形成實(shí)體。這種技術(shù)的應(yīng)用范圍還是比較廣泛的，比較常見的就是應(yīng)用在制作陶瓷上。

3.快速成形模具制造

模具是一種技術(shù)性高的產(chǎn)品，對(duì)于傳統(tǒng)的模具制造而言，制造過程十分復(fù)雜，還要考慮各種各樣的影響因素，而且制造周期也比較長(zhǎng)，中等復(fù)雜的模具的制造時(shí)間一般不會(huì)少于3個(gè)月，可想而知，對(duì)于復(fù)雜模具的制作將要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。所以RP技術(shù)可謂是應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)于一些制作量比較少的產(chǎn)品，RP技術(shù)發(fā)揮的作用非常大，不管模具的難度如何，制作速度都是非?？斓模屹|(zhì)量也是非常不錯(cuò)的。

3.1 直接制造金屬模具

制造一些工期比較短，而且數(shù)量也比較少的零件的時(shí)候，最好的方法其實(shí)是直接制造模具。

這種方法的操作方法是用選域激光燒結(jié)直接制作鑄造型殼。具體的步驟是包括兩步，第一步是形成型殼的CAD圖形，第二步是形成型殼。

型殼的CAD圖形是在CAD軟件中形成的，經(jīng)過相應(yīng)地處理，一些補(bǔ)充設(shè)計(jì)，如澆冒口系統(tǒng)，最后就得到了。

型殼的出爐是通過SLS燒結(jié)形成的，將里面的粉末清理干凈了，就得到型殼了。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是能夠保證在幾天內(nèi)完成非常復(fù)雜的零部件模具的制造，而且模具越復(fù)雜越能顯示其優(yōu)越性。

3.2 間接制造金屬模具

快速成形可用來間接制造模具。間接制模法指制硬模具，或采用噴涂金屬法獲得輪廓形狀，或者制作母模復(fù)制軟模具等。對(duì)快速成形制造技術(shù)得到的原型表面進(jìn)行特殊的處理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，或者由原型經(jīng)硅橡膠模過渡轉(zhuǎn)換得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型澆注出金屬模具。

4.快速成型模具制造應(yīng)用

RP的快速模具制造的方法一般有兩大類：一是直接法，二是間接法。不同的方法使用于不同的情境，制作工藝也是不盡相同的，但是制造出來的產(chǎn)品質(zhì)量確實(shí)一樣的好。前者體現(xiàn)在選擇性激光燒結(jié)法上，這種方法制造出來的模具，可以使用非常長(zhǎng)的時(shí)間。但這種方法也是優(yōu)缺點(diǎn)的，就是在燒結(jié)過程中，材料可能會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象，這種收縮現(xiàn)象是比較難以控制的，所以制造出來的模具的精確度不是很高，需要反復(fù)地實(shí)驗(yàn)。

間接法是快速制造模具過程中經(jīng)常使用的方法。因?yàn)楦鞣N因素的限制，生產(chǎn)出來的模具是不能完全代替最終的成品的，需要經(jīng)過市場(chǎng)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格之后，是需要用實(shí)際材料進(jìn)行制造的。

軟質(zhì)模具因其所使用的軟質(zhì)材料（如硅橡膠、環(huán)氧樹脂等）有別于傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料而得名，由于其制造成本低和制作周期短，因而在新產(chǎn)品開發(fā)過程中作為產(chǎn)品功能檢測(cè)和投入市場(chǎng)試運(yùn)行，以及國(guó)防、航空等領(lǐng)域單件、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)方面受到高度重視，尤其適合于批量小、品種多、改型快的現(xiàn)代制造模式。目前，軟質(zhì)模具制造方法主要有硅橡膠澆注法、金屬噴涂法、樹脂澆注法等。

軟質(zhì)模具雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但它的適用范圍也比較受限制，如果要生產(chǎn)上萬件或是幾十萬件的產(chǎn)品時(shí)，軟質(zhì)模具就不適合了，還是得需要硬質(zhì)磨具。而硬質(zhì)模具指的就是鋼質(zhì)模具，而現(xiàn)在利用快速成形技術(shù)制作鋼質(zhì)模具的主要方法有3種，包括熔模鑄造法、電火花加工法以及陶瓷型精密鑄造法。所以說，物有所長(zhǎng)，再好的工具也有其短板的一面，我們要做的就是選擇最適合待生產(chǎn)產(chǎn)品的工具，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]張秀國(guó).快速模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].科技與企業(yè)，2012（21）：34.

[2]程鋼.在《現(xiàn)代模具制造技術(shù)》教學(xué)中引入多媒體[J].職業(yè)技術(shù)教育，2006（20）：20.

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