快速模具制造技术的现状及其发展趋势

魏海燕　闵祥娜　段祥宇

摘 要：快速成型与制造（RP&M）作为诞生仅十余年的先进制造技术，已成功地实现了快速原型制造，目前已向快速模具制造（RT）方向迅速发展。主要介绍快速制模尤其是快速金属模具制造（RMT）技术的现状和发展趋势，比较和分析了模具快速制造的间接法和直接法的特点和问题，探讨了快速模具制造技术发展面临的关键问题及其应用前景。

关键词：快速成型与制造；快速制模；快速制造金属模具；间接法；直接法

近10年来，制造业市场环境发生了巨大的变化，迅速将产品推向市场已成为制造商把握市场先机的重要保障。因此，产品的快速开发技术将成为赢得21世纪制造业市场的关键。

1.快速模具制造技术产生的背景

模具是制造业必不可少的手段，其中用得最多的有铸模、注塑模、冲压模和锻模等。传统制作模具的方法是：对木材或金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工，得到所需模具的形状和尺寸。这种方法既费时又费钱，特别是汽车、摩托车和家电所需的一些大型模具，往往造价数十万元以上，制作周期长达数月甚至一年。而基于RPM技术的RT直接或间接制作模具，使模具的制造时间大大缩短而成本却大大降低。由于产品开发与制造技术的进步，以及不断追求新颖、奇特、多变的市场消费导向，使得产品（尤其是消费品）的寿命周期越来越短已成为不争的事实。

2.快速制模技术的发展简况

随着多品种小批量时代的逐步来临和企业要求模具能保证新产品快速占领市场，开发快速经济模具越来越引起人们的重视，。水泥、陶瓷制作的汽车覆盖件模具还有待进一步改善。相比之下，由于金属材料具有优良的综合性能，金属模具低成本快速制造成为RPN技术的努力目标。世界先进工业化国家的RPM技术在经历了模型与零件试制、快速软模制造阶段后，目前正向快速硬模即金属模具制造（RMT）方向发展，RMT已成为国际RPN技术应用研究开发的热点。

2.1间接制模法

在直接制模法尚不成熟的情况下，目前具有竞争力的RMT技术主要是粉末烧结、电铸、铸造和熔射等间接制模法。上述各种间接法都具有快速经济的特点。但相比之下，铸造法和粉末烧结法尺寸变化大，制模精度不高。电铸复制精度虽高，但制模时间长、受电铸材料种类限制且需处理废液污染。熔射法具有模具材料种类和制模尺寸规格限制小、复制精度高等优点。

2.2直接制模法

直接法尤其是直接快速制造金属模具（DRMT：Direct Raoid Metal Tooling）方法在缩短制造周期、节能省资源、发挥材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潜力，从而受到高度关注。目前的DRMT技术研究和应用的关键在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保证其综合性能质量，从而直接快速制造耐久、高精度和表面质量能满足工业化批量生产条件的金属模具。目前已出现的DRMT方法主要有：以激光为热源的选择性激光烧结法（SLS·Se—lective Laser Sintering）和激光生成法（LG·Laser Generating）；以等离子电弧等为热源的熔积法（PDM：Plasma Detmsition Method，或PPW：Plasma Powder Welding）；喷射成形的三维打印法（3DP：Three—Dimensional Printing）。

等离子熔积法（PDM）具有使用材料范围广、能获得满密度金属零件的特点。起源于前德国Kruoo和Thvssen公司的埋弧焊接，能够实现大型或特大型容器的成形焊，其机械性能、組织优于铸锻组织，通过适当选择工艺参数可以减少残余应力和裂纹发生，提高堆焊高度。此外，薄钢板的LOM技术也可制造金属模具，但叠层间需焊接等紧固处理，且材料利用率低，薄板热变形也影响成形精度和粗糙度。

3.基于RPM的快速模具制造方法

3.1用快速成形机直接制作模具

由于一些快速成形机制作的工件有较好的机械强度和稳定性，因此快速成形件可直接用作模具。例如，Stratasys公司TITAN快速成形机的PPSF制件坚如硬木，可承受300℃高温，经表面处理（如喷涂清漆，高分子材料或金属）后可用作砂型铸造木模、低熔点合金铸造模、试制用注塑模以及熔模铸造的压型。

3.2用快速成形件作母模，复制软模具（Soft tooling）

用快速成形件作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，或先浇注硅橡胶、环氧树脂模（即蜡模的压型），再浇注蜡模。其中，蜡模可用于熔模铸造，而硅橡胶模、环氧树脂模等可用作试制用注塑模或低熔点合金铸造模。

3.3用快速成形系统制作电脉冲机床用电极

用快速成型件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，可制作金属电极或石墨电极。

4.展望

鉴于模具技术在制造业中所处的关键地位，快速制模尤其是快速制造金属模具技术的开发研究受到高度关注，概括该技术面临的关键问题和发展趋势有以下几个特点：

（1）快速软模及陶瓷等模具的使用范围受到限制，压铸、注塑、冲压等主导模具的金属模具快速制造是RPN技术努力的目标。

（2）基于堆积成形原理的直接制模法在表面及尺寸精度、综合机械性能等方面尚难以满足高精度、高表面质量的耐久模具制造要求，且成本高、尺寸规格受限制。以低成本且适于精细加工及多种材料成形的堆积和去除成形技术集成，将是提高直接制模法的实用性、材料适应性和表面精度的有效方法。

（3）快速制模法适合我国国情，具有广阔的应用前景。与高速铣削加工相比，在表面带精细复杂形状和电火花加工难以省去的金属模具制造方面占有优势。要进一步提高快速制模技术的竞争力，必须开发加工数据生成较数控加工数据生成更容易，并能获得所需的尺寸及表面精度材料选择范围广的直接快速制模新方法。

参考文献：

[1] 黄毅宏主编.《模具制造工艺》.机械工业出版社

[2]《模具制造手册》.模具制造手册编写组编.机械工业出版社

[3]（日）吉田弘美著，王旭译.《模具加工技术》.上海交通大学出版社

[4]《快速模具制造技术的现状及其发展趋势》.中国现代制造网