（原创）快速模具技术应用综述

zhaojianhua

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

抛砖引玉，恭喜开版

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
快速模具技术应用进展
SIMWE：ZHAOJIANHUA

1、引言
当今企业的竞争集中表现在产品款式、新产品开发周期及产品生产规模方面的竞争。模具作为新产品生产的关键工装，其设计与生产日益成为新产品开发周期的决定因素。例如在汽车工业中，过去新车型的开发周期一般为十年，现在缩短为二到三年，福特及丰田新车型的开发周期仅为一年半，这一切都得益于企业模具设计与制造水平的提高。随着产品开发周期的缩短，相应地对模具制造周期也提出了更高的要求，因此人们将目光重新转移到了快速模具制造技术（RPM）上。
2、快速模具技术应用进展
世界先进工业化国家的RPM技术在经历了模型与零件试制、快速树脂软模制造阶段后，目前正向快速金属模具制造（RMT）方向发展。目前已经提出众多的RMT方法可分为由RP系统制作的快速原型复制金属模具的间接法和根据CAD数据直接由RP系统制造金属模具的直接法两大类。
2.1、直接制模法
直接法尤其是直接快速制造金属模具(DRMT：Direct Rapid Metal Tooling)方法制造环节简单、能够充分发挥RP技术的优势，特别是与计算机技术紧密结合，能够快速完成模具；对那些需要复杂形状的内流道冷却的模具与零件，采用直接RT法有其他方法不能替代的优势［3］。但是直接法在模具精度和性能控制方面比较困难，特殊的后处理设备与工艺使成本有较大提高，模具的尺寸也受到较大的限制。因此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：Selective Laser Sintering)和激光生成法(LG：Laser Gemerating)；以等离子电弧等为热源的熔积法(PDM：Plasma Deposition Method或PPW：Pasma Powder Welding)；喷射成形的三维打印法(3DP：3D-Dimensionaal Printing)；形状沉积制造（SDM）工艺以及美国3Dsystems公司开发的AIM快速制模工艺工艺［3,4］。
2.2、间接制模法
和直接制模法相比，间接制模法通过快速原型技术与传统的模具翻制技术相结合来制造模具，由于翻制技术已经十分成熟并具有多样性，可以根据不同的应用要求、使用不同复杂程度和成本的工艺。一方面可以较好地控制模具的精度、表面质量、机械性能与使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。因此，间接快速模具制造技术为目前工业界广泛使用。这类技术包括喷涂模具、中低熔点合金模具、表面沉积模具、电铸模、铝颗粒增强环氧树脂模具、硅胶模以及快速精密铸造模具等。
（1） 喷涂模具
喷涂模具包括金属冷喷模具和等离子喷涂(熔射)模具。金属冷喷模具采用TAFA等公司的喷涂设备，用喷枪在RP原型的表面上喷射一层厚度可以达到2mm甚至更厚的金属壳层，然后用铝颗粒与树脂混合材料作为背衬物并且埋入冷却管道，涂层与背衬材料转移结合，去除RP原型之后即可制得模具。喷涂表面的复制性能非常好，尺寸精度高，还可以进行抛光以改善表面粗糙度。采用等离子喷涂(熔射)技术，可以获得高熔点金属涂层(如不锈钢涂层)，这样制得的模具表面硬度高、表面质量好、经济耐用、制作简单，使用寿命更是大大超过金属冷喷模具。中川威雄采用该方法制造模具获得了良好的效果〔5-7〕。
（2）中低熔点合金模具
典型的中熔点合金有锌基合金，低熔点合金有Bi-Sn合金。铸造中低熔点合金模具指以RP原型为母模，将RP原型翻制为硅胶模，再由硅胶模翻制石膏模，通过石膏模精铸得到锌基合金模具。该工艺在汽车车身覆盖件拉延模具设计中获得广泛应用。清华大学开发的新工艺采用无焙烧精密陶瓷型技术，完成LOM原型到陶瓷型的转换，再进行低熔点合金（Bi-Sn合金）精密铸造获得金属模具。Bi-Sn合金熔点为138℃，调整Bi与Sn比例可以控制在凝固时微缩或微涨的量值，因而不会引起残余应力而发生变形，可保证高精度。工艺路线为：根据CAD模型制造LOM原型，将它翻制为具有足够尺寸精度的陶瓷型，对于陶瓷型进行特殊处理后，在约140℃的温度下，浇铸出Bi-Sn低熔点合金汽车覆盖件拉延模具。此模具可以制造100～300件汽车覆盖件零件，完全可以满足汽车试制模具的需要。
（3） 沉积技术制造的模具
美国的爱达荷国家工程与环境实验室(INEEL)研制的RSP(Rapid Solidification Process)快速制模技术的原理是采用普通的工具合金(如P20、H13与D2工具钢或其他合金)粉末，通过沉积技术在RP原型的表面形成一层具有足够厚度的沉积层。在增压的作用下，熔融金属液体进入喷头，在高速气体的带动下，金属微粒甚至可以以增原子的方式沉积在表面上，能够把RP原型表面极细微的特征复制下来。表面粗糙度可以达到3 ，沉积率为227kg/h，适用于此项工艺的材料不仅有金属，而且包括陶瓷、聚合物等各类材料［3］。
（4）电铸模
电铸模是一种结合快速原型和传统电铸的快速模具技术。其过程为：先对RP原型表面进行必要的处理，如打磨、抛光、涂敷导电层等；然后置入电铸槽中，通过常温电铸获得金属壳层，该壳层的内表面精确地复制出了RP原型的外表面；通过中高温烧结去除金属壳内的原型；最后在模具框和金属壳外侧之间浇铸低熔点合金或铝粉-树脂混合材料背衬，即可得到电铸模〔8〕。
（5） 其它方法
除了上述的几种方法之外，国外研究及应用事例还有3Dsystems公司的基于SLA原型的粉末成形烧结+浸渗快速复制(Keltool)工艺、CEMCOM公司的镀镍+陶瓷复合(NCC，Nickel-Ceramic Composite)工艺、Idaho National Engineering and Environmental Lab的快速凝固工艺(RSP，Rapid Solidification Process)和Soligen Tech.Inc.公司的基于DSCP金属薄壳成形系统的铸造工艺、Badger Pattern公司的锌合金喷涂+树脂·金属复合材料补强工艺和东京大学的RHST(Rapid Hard Spray Tooling)以及日产汽车公司的熔射快速制造金属模具法等［8］。
Keltool方法的工艺路线是：由SLA方法生成快速原型→硅橡胶翻模得到模具的负型→填充金属粉末及粘结剂→放入高温炉膛内进行烧结、渗铜→得到最终模具。模具型腔经过热处理后表面硬度可以达到48～50HRC。用A6工具钢制造的模具能够生产数千件产品，但此法制模过程时间长，且工艺复杂。
NCC方法首先在SLA方法生成的快速原型上镀上一层厚约1～5mm的镍，然后在镍质镀层上用化学反应凝固陶瓷材料(CBC，Chemically Bonded Ceramic)作背衬补强，将原型分离后得到最终模具。这一方法具有与SLA工艺同等的精度，可用于注塑模制造，但要解决电镀工序时间长和需处理废液污染等问题。
RSP方法是用高速隋性气体将熔化的金属液体雾化，喷射在石蜡、塑料或陶瓷原型(通过SLA、SLS或LOM方法制造)上，生成一薄层金属，补强背衬并除去原型后得到模具。此法可制作注塑模具和冲压模具，但是为了提高制件的表面质量和机械性能需要进行时效处理，增加了制模时间。
Bafger Pattern公司、东京大学和日产汽车公司熔射制模法的基本工艺都是在原型表面形成熔射层，然后对熔射层进行补强并将熔射原型去除得到金属模具。但Bafger Pattern公司只能熔射低熔点锌合金，并采用树脂·金属复合材料对熔射层补强，致使模具的耐磨性和热传导性，只能用于数百件注塑成形。东京大学开发的RHST方法则是以不锈钢或碳化钨合金等高融点材料为熔射材料，并以金属材料对熔射层背衬补强，从而极大地改善了熔射模具的耐久性，使其能用于表面光滑或带天然精细皮革纹饰塑料产品的大批量注塑成型以及金属薄板成形。日产汽车公司的熔射制模法也采用不锈钢作为熔射材料，并采用树脂·金属复合材料补强，已用于数万至二十多万件的轿车覆盖件成形，但与RHST法相比，该法不能用于表面带天然精细皮革纹饰耐久注塑模具的制造，使用范围受到限制。
2.3、快速模具技术比较
由于快速模具技术种类繁多，制造厂商选择范围也十分广泛，因此，对快速模具制造技术进行比较是很有必要的。表1列举了几种快速制模方法的有关性能参数，表2表示的是模具寿命的比较，表3列举出的是模具成本的比较，表4中表示的是生产周期的比较。

表1 几种快速制模技术的性能参数
Table 1  Some relevant parameter for rapid tooling
  开发单位  使用材料  尺寸规格  尺寸精度  表面精度  表面硬度
LMF  Sandia National Lab  304、316不锈钢、铁镍合金、H13工具钢、碳化钛金属陶瓷等  小  0.5mm  略高于铸造精度  Rc59.3
Papid Tool  DTM公司  低碳钢、铜  中、小  ＜0.25mm  -  RB75
3DP  MIT  聚合物、金属或陶瓷粉末  中、小  0. 5％～1％  与铸造精度相当  RC30
NCC  CEMCOM公司  镍  中、小  ±0.13mm  0.1   RB65
Keltool  3D Systems 公司  A6工具钢、不锈钢、碳化钨等  中、小  ±0.1％  -  热处理后达到RC48-50
RSP  Idaho National Engineering and Environmental Lab &nbsp20、H13、D2工具钢  大、中  ±0.1％～0.2％  与EDM精度相当  时效处理R61～64
RHST  东京大学和华中理工  不锈钢、碳化物合金等不限  大、中、小  ＜±0.1％  0.12   HV700
表2 几种快速模具技术模具寿命的比较〔9-13〕
Table 2  The comparison of mould age limit for rapid tooling
模具寿命（10～200件）  201～2000件  ＞2000件
硅橡胶模具  弧形金属喷涂模具  快速模具
  SL合成物  分层金属模具
铸造陶瓷模具    SLS砂型铸造模具
表3 几种快速模具制作成本比较〔14〕
Table 3  The comparison of mould mould cost for rapid tooling
模具制作成本$500-$2000  $2001-$10000  ＞$10000
SLS砂型铸造模具  弧形金属喷涂模具  快速模具
直接AMI  硅橡胶模具  分层金属模具
铸造树脂模具    
铸造陶瓷模具    
表4 几种快速模具生产周期比较
Table 4  The Comparison of mould life circle for rapid tooling
模具生产周期＜1个星期  1～2个星期  ＞2个星期
SLS砂型铸造模具  弧形金属喷涂模具  快速模具
直接AMI  硅橡胶模具  分层金属模具
SL合成物  铸造树脂模具  3Dkeltool
  铸造陶瓷模具  

3、快速模具技术发展展望
世界先进工业化国家的RPM技术在经历了模型与零件试制、快速树脂软模制造阶段后，目前正向快速金属模具制造（RMT）方向发展。发展于20世纪90年代的快速原型技术（RP或RPM）已经能非常成功地制作包括树脂、塑料、纸类、石蜡、陶瓷等材料的原型，但往往不能作为功能性零件，只能在有限的场合用来替代真正的金属和其它类型功能零件做功能实验，并且需要专门的设备和原型材料的局限性，限制了该技术广泛应用。传统技术如精密铸造、消失模成型等经过长期发展，已相对成熟，但不能适应信息时代的快速柔性要求，因此在未来一段时期内，必须将快速成型技术与传统成型技术结合起来，开发尺寸稳定性好的制模材料，实现制模过程的短流程化和工作环境的安定化以提高模具精度，实现模具的敏捷化制造。

参考文献（略）

wgao

好文章啊, 不错, 谢谢了

hotpie

zhaojianhua兄弟也是simwe技术顾问
怎么没有题头啊？

yujb025

hotpie wrote:
zhaojianhua兄弟也是simwe技术顾问
怎么没有题头啊？

呵呵，发贴量不够（要50以上），无法设置。

fan2008

现代模具生产周期在缩短，产品质量要求在提高，
以前流行的是“钳工一把锉”，现在要求都用高速加工机来完成，
怪得我们以前的经理把模具的模改成这个“魔”。

hotpie

fan2008 wrote:
现代模具生产周期在缩短，产品质量要求在提高，
以前流行的是“钳工一把锉”，现在要求都用高速加工机来完成，
怪得我们以前的经理把模具的模改成这个“魔”。

这个词用得好！

hotpie

现在电子期刊少了一篇文章
而且三月份就要出第四期了
我想是不是可以把这篇文章作为第四期的一篇文章
如果作者同意，希望作者能够把参考文献补齐
另外还请作者能够把文中的表格整理好
最好能把word文档发上来
另外还请yujb025和andy99看看如何

yujb025

hotpie wrote:
现在电子期刊少了一篇文章
而且三月份就要出第四期了
我想是不是可以把这篇文章作为第四期的一篇文章
如果作者同意，希望作者能够把参考文献补齐
另外还请yujb025和andy99看看如何

没问题.

zhaojianhua

感谢楼上几位重量级老大的鼓励，我已照吩咐将文章寄到SIMWE期刊。
我喜欢fan2008版主说的，交流才有进步。我们希望看到SIMWE更红火！

hotpie

zhaojianhua wrote:
感谢楼上几位重量级老大的鼓励，我已照吩咐将文章寄到SIMWE期刊。
我喜欢fan2008版主说的，交流才有进步。我们希望看到SIMWE更红火！

兄弟请在

http://www.simwe.com/forum/viewthread.php?tid=366122

下面跟贴说明，谢谢兄弟的支持！

yujb025

zhaojianhua wrote:
感谢楼上几位重量级老大的鼓励，我已照吩咐将文章寄到SIMWE期刊。
我喜欢fan2008版主说的，交流才有进步。我们希望看到SIMWE更红火！

真是感谢！值得一提的是simwe邮箱很难收到sina邮箱发出的邮件。希望直接发到wfqmail@163.com

simwe

希望稍作整理，投稿到Simwe.com电子期刊！

Andy99

zhaojianhua兄的稿件已经收到！感谢投稿，拟将在第五期电子期刊中采用！