直接快速成型金属模具

关于直接快速金属模具的工艺方法及特点的综述

摘要：快速成形技术在模具制造中已经得到了较为广泛的研究，这里综述了直接快速金属模具的工艺方法及特点，包括选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)以及金属丝材熔焊成形技术，最后展望了快速成形技术在模具制造中的广阔的应用前景。

关键字：快速成形技术, 模具制造, 选择性激光烧结, 熔融沉积制造, 金属丝材熔焊成形技术

Overview on the process and characteristics about the direct rapid

prototyping of metal mold

Abstract:The rapid prototyping technology has been widely studied in mold manufacturing，here reviewed the process and characteristics about the directrapid prototyping of metal mold, Include the selective laser sintering technology，the fused deposition modeling and the metal wire welding forming. Finally, here prospect the future applications of the rapid prototyping technology in mold manufacturing.

Key words: rapid prototyping technology，mold manufacturing，the selective laser sintering technology，fused deposition modeling，metal wire welding forming

前言

快速成型RP( Rapid Prototyping )技术是20世纪80年代末迅速发展起来的一种崭新的制造技术。它突破了传统的材料变形成形和去除成形工艺方法机械加工的许多限制，采用材料逐渐增长的原理，可在没有工装夹具或模具的条件下，迅速制造出形状十分复杂的三维实体模型或零件，可有效地降低产品开发周期。因而被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破。

快速成型RP( Rapid Prototyping )技术的出现对于促进企业产品创新, 缩短新产品开发周期起到了积极的推动作用。但是, 快速成型制件由于受所用材料性能的限制, 并不能够完全应用于工程实际,因此出现了将快速成型应用于模具加工的技术, 这种新型技术简称为快速模具RT ( Rapid Tooling)技术[ 1，2]。快速模具技术融合了快速成型技术、高分子材料应用、快速翻制工艺等新技术和新工艺, 可以快速并低成本地制造模具。RT 技术既不同于传统的模腔内成型方式, 即受

迫成型, 如铸、锻、挤压等；也不同于毛坯切削成型, 即去除成型, 如车、铣、钻等, 而是一种基于离散堆积成型思想的数字化成型技术。

RT技术带来了模具制造业的革命。采用传统的模具加工方法, 制造周期长且成本高,难以适应市场的急速变化。快速成型配合传统制模技术不仅适合单件小批的模具快速制造, 而且能适应各种复杂的模具快速制造,可精确地制作出模具的型芯和型腔,可直接用于注射过程制作塑料样件,以便发现和纠正出现的错误。运用RT 技术与采用传统的数控加工制造模具相比,其生产周期缩短1/3-1/10, 制造费用降低1/3-1/5。

1.快速模具概况

目前的快速模具制造(RT)技术主要集中在两大研究方向[3-4]:一是直接快速制模DRT(Direct Rapid Too ling),即用SLS、FDM、LOM等快速成型工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具；二是间接快速制模IRT(Indirect Rapid Too ling),即用快速成型件作母模或过渡模具,再按传统的模具制造方法来制造模具[5]。快速模具制造的工艺流程如图1所示。

2.直接制模与直接快速成型金属模具

直接制模是用选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)、叠层实体制造(LOM) 、金属丝材熔焊成形技术等快速成型工艺直接制造树脂模、陶瓷模和金属模等模具。其优点是制模工艺简单、精度较高且工期短,缺点是单件模具成本较高,适合于样件试制。

在以上几种直接制模工艺中，选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)与金属丝材熔焊成形技术可用来直接快速成型金属模具，下面将分别介绍。

图1 基于快速成型的快速模具制造

2.1 选择性激光烧结(SLS)工艺直接快速成型金属模具

作为快速原型技术之一的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术已被用来制造模型、制件、模具等工业用品和生活用品。选择性激光烧结(SLS)是采用激光有选择地逐层烧结固体粉末，叠加生成预定形状的三维实体零件的一种快速成形制造方法。其又可称为选区激光烧结。作为快速模具制造技术的一种加工手段，它在模具制造业更是得到青睐，所制造的模具类型主要有：熔模、消失模、精铸模及型芯等铸造用模具，以及注射模、压铸模等金属钢质模具。制造的模具种类与它所采用的成型材料、成型设备等关键技术有关，如成型材料为石蜡粉、塑料(PS、ABS)粉，模具类型为熔模；成型材料为聚苯乙烯粉、聚碳酸脂粉，模具类型为消失模；成型材料为陶瓷粉，模具类型为精铸模；成型材料为覆膜钢粉、合金粉末，模具类型为注射模等。

在应用SLS技术制造的模具中有一类为金属钢质模具，它的特点是材料为金属，具有很高的强度、硬度和使用寿命，在生产中被大量采用，此类诸如注射模、压铸模、冲压模等类型。由于这类模具的成型对象和工作条件不同，模具的结构和性能要求相差也很大。如注射模的工作温度不高，对模具的强度要求也不太高，但对模具型腔表面的硬度和表面质量要求却很高，要光洁、耐磨、耐腐蚀；压铸模的工作温度高，瞬间压力大，要抗高温下的氧化与腐蚀、抗龟裂，对模具和模具型腔的强度、表面硬度和质量要求都很高；冲压模一般在常温下工作，但对模具的强度、硬度、耐磨性、韧性要求都很高。由此可以看出，不同的钢模具在应用SLS技术制造时很多方面都会有所不同，在这些钢模具中，以注射模等制造塑料制品的模具，工作温度为150～250℃，压力为40～150MPa，强度要求并不高，对材料自身的力学性能要求相对低些，降低了零件制造过程中的难度，最先有可能在应用SLS技术制作金属钢模具领域取得突破，获得成功。因此，国内外在该研究领域所采取的步骤策略一般为先易后难，先对注射模的制造获得成功取得经验后，再向其他金属模具扩展延伸。至目前为止，应用选择性激光烧结技术制造金属钢模具的研究已经有了注射模和压铸模。

现将选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术快速成型金属模具的方法及其特点作一介绍，以便更好地了解这一技术。

2.1.1 SLS工艺直接成型金属模具的工艺方法