基于快速原型的快速模具制造的应用

　　快速原型(RP)技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的新型制造方法，它不采用常规的刀具和模具加工零件，而是利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、或聚合等方式，实现材料的迁移和堆积，可由计算机CAD模型直接驱动生成三维实体，即原型零件。

　　RP技术的发展同时推动了快速模具/工具(RT)制造技术的发展。RT技术与传统的机械加工成形模具制造方法相比，具有周期短、成本低，模具精度和使用寿命等方面均能满足生产要求、经济效益好等特点。

　　1 快速模具制造技术的分类

　　近年来，RT技术已成为RP技术发展与应用的一个新热点。应用RP技术制作的原型(或

　　母模)与精密铸造、喷涂、电镀、电铸等转换技术相结合，可间接快速制造金属(或非金属)模具或零件，及直接快速制造金属模具等。基于RP技术的间接快速模具制造技术有：硅橡胶型、石膏型、陶瓷型、树脂复合型、金属喷涂法、化学粘结法、电铸法等,以及直接快速制造金属模具。

　　2 快速模具制造技术的应用

　　基于RP技术的RT技术有多种，现将目前应用较多的快速模具制造技术介绍如下。

　　2.1 硅橡胶快速复制模具

　　硅橡胶快速复制模具是一种以原型为样件，使用硫化硅橡胶浇注制作的经济型快速复制成形模具。由于硅橡胶具有良好的柔性和弹性，适合于制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或倒拔模斜度及具有深凹槽的模具。其工艺流程为：原型(母型)制作→硅橡胶料制备→胶料预脱泡→浇注→硅橡胶模脱泡(抽真空)→固化→脱模及后处理。其中母模的表面质量将会直接影响复制模型的表面质量。并且，应根据硅橡胶料及成型零件材料的凝固收缩率，作适当的尺寸补偿，以提高模具的尺寸精度。

　　这种模具可作为塑料件低压注塑模与真空浇注模、低熔点合金的铸造模或蜡型成形模。硅橡胶还能与其他材料(如爱牢达树脂、聚氨酯等)配制成多材料复合模具，以延长模具的使用寿命。该方法具有模具制作周期短(一般为1～3天)、成本低和易脱模等特点，它相对于其他材料的快速模具制造更具独特之处。

　　2.2 石膏型快速金属模具

　　石膏型铸造的基本原理是：将熔融的金属液烧注到以石膏为基料的铸型内，待金属液冷却凝固后，经清理即可获得金属模具或零件。它的工艺过程为：先将模样固定在专供灌浆用的砂箱里，再将按一定比例配置的半水石膏、填料、添加剂及适量水，在真空状态下混制成浆料，并迅速浇灌在砂箱中，待浆料凝固、硬化，再烘干、焙烧成石膏型，然后在真空状态浇注，获得最终的金属模具或零件。该工艺通常适合于制造金属熔化温度低于石膏分解温度(<1300oC)的合金，如：铅、锡等低熔点合金以及锌合金、铝合金及部分铜合金等。

　　RP原型技术与石膏型精密铸造相结合主要有两种方法。方法一，采用叠层法、熔融沉

　　积法、激光选区烧结法等工艺制造的原型为母模或硅橡胶为中间转化模，然后进行石膏型精

　　密铸造。方法二，采用原型为母模，翻制硅橡胶件，再由硅橡胶件翻制蜡型或直接采用母模制作蜡型，再进行石膏型熔模精密铸造。采用特种膨胀石膏料还可补偿铸造时金属凝固的收缩量。这种工艺方法具有零件变形小、精度高、表面光洁等特点，可用于铸造精密、复杂、

　　薄型的有色金属模具或零件，尤其适合于制作复杂型腔的净(近)成形模具。

　　2.3 树脂型复合模具

　　该方法是将液态的环氧树脂与有机(或无机)材料复合作为基体材料，以原型为基准浇注模具的一种间接制模技术，通常可直接注塑生产。其工艺过程为：快速原型制作→表面处理→原型表面、分型面刷脱模剂、胶衣树脂→浇注凹模→浇注凸模。刷脱模剂、胶衣树脂的目的是防止模具表面受磨擦、碰撞、老化和介质腐蚀等，在实际使用中更安全、可靠。环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本大幅度度降低，生产周期大为缩短。模具寿命虽不及钢制模具，但比硅橡胶模具高，达1000~5000件，可满足中小批量生产的需要。

　　2.4 陶瓷型快速金属模具

　　陶瓷型制造技术的基本原理是：以耐高温、热膨胀系数小的耐火材料为骨料、水解液为粘结剂，按比例配制成陶瓷浆料，在催化剂作用下，经灌浆、结胶、硬化、起模、喷烧等工序制成表面光洁、尺寸精度高的精密陶瓷型，可烧注各种精密铸件。

　　将RP技术与无焙烧精密陶瓷型工艺相结合，有利于提高模具精度，缩短制造周期、降低成本，采用这种方法的铸造模具与传统的机加工模具相比，生产成本降低数倍至数十倍，尤其适于铸造大型冲压模具。该工艺的关键技术是母模的设计与制造，即通过三维CAD直接制造出形状复杂的RP原型，作为无焙烧精密陶瓷型的母模，目前这种方法应用较多。

　　2.5 熔模铸造法制造钢模

　　用快速原型技术制作原型(母模)，将母模浸入陶瓷砂液，形成模壳。在炉中固化模壳，烧去母模。然后在炉中预热模壳并在模壳中浇注钢或铁型腔，对型腔表面进行抛光，加入浇注系统和冷却系统后，可铸造批量生产用注塑模。其优点是可制造形状非常复杂的零件。

　　2.6 金属喷涂法快速模具

　　金属喷涂法通常分为电弧喷涂法和等离子喷涂法两种。目前用于模具制造以电弧喷涂法为主。它的基本原理是：将两根直径为Φ2～3mm的金属丝分别接在直流电源的正负极作为自耗性电极,利用其端部产生的电弧使自身熔化。处于电弧点正后方的喷嘴射出高速、高压空气使熔化的金属脱离且雾化成微粒，以极高速度撞击基体表面，形成光滑、致密、低气孔率的金属薄壳。然后在此金属薄壳内添加支撑材料，脱模后即可得到金属化的经济型模具。#p#分页标题#e#

　　喷涂成型技术的特点在于冷却速度快，一般达103K/S以上，可获得成分均匀的快凝组织，不存在传统铸造工艺常见的缩孔现象。喷涂成型属于近终成型，与传统的机加工模具相比，省却了铸造、锻造等工序，节约了材料工时，降低了成本。而与非金属材料模具相比，其表面硬度、耐磨性、表面质量等均有大幅度提高，而且复型性好，适用于各种原型材料(如金属、木材、蜡或树脂等)。现已开发的喷涂制模工艺有：喷涂纯锌层、锌—铝伪合金层。喷涂锌、铝涂层时增加喷砂强化处理，有利于提高涂层致密度，延长模具使用寿命。

　　2.7 化学粘结型模具

　　用快速成型系统制作纸质母模原型，浇注硅橡胶、环氯树脂、聚氨酯等软材料，构成软模。移去母模后，在软模中浇注化学粘结钢粉的型腔。在型腔内渗铜，抛光型腔表面，加入浇注系统和冷却系统等，就可为批量生产用注塑模。使用锆砂处覆树脂粘接剂制成的原型，在100oC的烘箱中保温2h硬化，可直接用作铸造砂型。

　　2.8 电铸(或电镀)法金属模具

　　电铸法是利用电化学过程中阴极沉积原型进行复型加工的制造技术，它可精确地复制出母模(或实物)表面形状。将电铸成形设备与快速与型机配套使用，组合成模具和工具电极的快速制造技术。且由实物可直接用电铸法制成模具或电极。应用电铸法可加工出表面形状复杂、精度要求高的电极，以及电铸成机加工难以完成的不规则形状，例如，工艺品的成型中可由母模直接翻制。电铸的型腔表面光洁，轮廓清晰，一般不需要再作光整中工。电铸中，应严格控制电流密度、铸液温度、成分等工艺参数，以保证成型质量。

　　利用RP技术形成原型(母模)，再通过电铸法制出相应的铜工具电极，形成了基于RT技术的电火花加工电铸铜电极新工艺，电铸铜电极纯度很高，有利于电火花成型加工。这种方法可缩短模具制造周期，降低成本，提高精密型腔的制造精度。此外，在原型零件表面电镀上一层铬硬壳，就可将其作为内型，外铸低熔点合金，或用锒嵌拼合法而制成精确的注塑模，不仅成本低，而且生产周期短。

　　2.9 直接制造金属模具

　　应用RP技术直接制造金属模具，这也是快速模具制造技术的发展方向之一。应用激光选区烧结法工艺可直接制造金属模具或零件。该工艺是利用粉末材料(金属或非金属粉末)在激光照射下烧结成形的原理，在计算机控制下层层堆积而成。对金属粉末烧结而得到的原型，通过渗入熔点较低的金属，最终获得一个金属基复合材料的金属型，其中控制和补偿烧结时产生的收缩量是该项技术的关键。美国DTM公司采用这种方法已制造出形状很复杂的金属模具，德国EOS公司也已开发出可不经过浸渗的直接金属模具和相应设备。叠层法工艺也具有直接制造金属模具的潜力，用金属箔材作为造型材料则可直接获得金属模具。以及形状沉积法、三维打印法、激光近净成形法等工艺也可实现CAD直接驱动的金属模具快速制造。

　　此外，应用各种RP技术可直接将CAD模型转换为非金属原型，许多场合下可直接作为模具使用。美国3S System公司开发出可直接用于发泡工艺的环氧树脂模具。杜邦公司开发出一种高温下工作的光固化树脂，用光固化法工艺可直接成形模具，用于注塑零件。

　　3 结语

　　由于传统的模具制作过程工艺复杂、周期长、费用高、母模的制造往往成为模具设计与制造的“瓶颈”。随着RP技术的快速发展，模具行业涌现出多种基于RP技术的RT技术，从而大大简化了母模的制造过程，加快了产品的开发与更新周期，积极响应市场的激烈竞争和快速需求。基于RP技术制造快速经济型模具已成为当前模具制造技术发展的重要方向之一，而且，日趋成熟，应用广泛。

　　参考文献：

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　　[2] 王秀峰，罗宏杰.快速原型制造技术(M).北京：中国轻工业出版社.2001.

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