O引言
快速成形與制造(RPM：RapidPrototvfolng&Manufacturing)是融激光、材料科學(xué)、信息與控制技術(shù)等為一體的分層——層積技術(shù)，堪稱是20世紀(jì)后半期制造技術(shù)*重大的進(jìn)展之一。RPM技術(shù)誕生10余年來已在汽車、家電、航空、醫(yī)療等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。國外大型企業(yè)如通用、福特、法拉利、豐田、麥道、IBM、AT&T、Motorla等以及我國的一些著名企業(yè)，都積極在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中采用這項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的有關(guān)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、外觀訐審、裝配實(shí)驗(yàn)、動態(tài)分析、光彈應(yīng)力分析、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等，成功地實(shí)現(xiàn)了面向市場的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)敏捷化。而隨之興起的快速制模尤其是快速制造金屬模具(RMT：RapidMetalTooling)則是由新產(chǎn)品設(shè)計(jì)迅速形成高效、低成本、優(yōu)質(zhì)的批量生產(chǎn)并搶占市場的必由途徑，是RPM技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展并取得更大經(jīng)濟(jì)效益所面臨的關(guān)鍵課題，成為當(dāng)前RPM技術(shù)研究的國際前沿。值此世紀(jì)之交，該技術(shù)被美國汽車工程雜志訐為全球15項(xiàng)重大技術(shù)之首，受到全球制造業(yè)的廣泛關(guān)注。
1快速制模技術(shù)的發(fā)展簡況
隨著多品種小批量時(shí)代的逐步來臨和企業(yè)要求模具能保證新產(chǎn)品快速占領(lǐng)市場，開發(fā)快速經(jīng)濟(jì)模具越來越引起人們的重視，例如用環(huán)氧聚脂或其中混入金屬、陶瓷、玻璃等增強(qiáng)材料制作的快速軟模，可用于上百件注塑成形以及汽車覆蓋件試制。其主要特點(diǎn)是制造工藝簡單、生產(chǎn)周期短、價(jià)格便宜。但由于材料的導(dǎo)熱性和機(jī)械性能不高，這種模具難以用于快頻率的批量注塑成形以及金屬拉延件批量成形。水泥、陶瓷制作的汽車覆蓋件模具還有待進(jìn)一步改善。相比之下，由于金屬材料具有優(yōu)良的綜合性能，金屬模具低成本快速制造成為RPN技術(shù)的努力目標(biāo)。世界先進(jìn)工業(yè)化國家的RPM技術(shù)在經(jīng)歷了模型與零件試制、快速軟模制造階段后，目前正向快速硬模即金屬模具制造(RMT)方向發(fā)展，RMT已成為國際RPN技術(shù)應(yīng)用研究開發(fā)的熱點(diǎn)。
業(yè)已提出的眾多RNT方法可分為由cAD數(shù)據(jù)及RP系統(tǒng)制作的快速原型或其他實(shí)物模型復(fù)制金屬模具的間接法和根據(jù)CAD數(shù)據(jù)直接由RP系統(tǒng)制造金屬模具的直接法兩大類。下圖表示主要的金屬模具快速制造方法的基本工藝路線。直接法雖然受到關(guān)注，但由于尺寸范圍及精度、表面質(zhì)量、綜合機(jī)械性能等方面存在問題，離實(shí)用化尚有相當(dāng)差距，目前*成熟的RNT法是間接法。
2.1間接制模法
在直接制模法尚不成熟的情況下，目前具有競爭力的RMT技術(shù)主要是粉末燒結(jié)、電鑄、鑄造和熔射等間接制模法。國內(nèi)外這方面的研究非�；钴S，有許多金屬模具間接快速制造技術(shù)的研究及應(yīng)用事例。如3Dsystems公司的基于SLA原型的粉末成形燒結(jié)+浸滲快速復(fù)制(Keltool)工藝、CEMCOM公司的鍍鎳+陶瓷復(fù)合(NCC，Nickel-CeramicComposite)工藝、IdahoNationalEngineeringandEnvironmental]Lab的快速凝固工藝(RSP，PaoidSolidificationProcess)和SoligenTech．Inc．公司的基于DSCP金屬薄殼成形系統(tǒng)的鑄造工藝、BadgerPattern公司的鋅合金噴涂+樹脂·金屬復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)工藝和東京大學(xué)的RHST(RaopidHardSorayTooling)以及日產(chǎn)汽車公司的熔射快速制造金屬模具法等。
Keltool方法的工藝路線是：由SLA方法生成快速原型十硅橡膠翻模得到模具的負(fù)型--填充金屬粉末及粘結(jié)劑十放入高溫爐膛內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)、滲銅--得到*終模具。模具型腔經(jīng)過熱處理后表面硬度可以達(dá)到48~50HRC。用A6工具鋼制造的模具能夠生產(chǎn)數(shù)千件產(chǎn)品，但此法制模過程時(shí)間長，且工藝復(fù)雜。
NCC方法首先在SLA方法生成的快速原型上鍍上一層厚約1—5mm的鎳，然后在鎳質(zhì)鍍層上用化學(xué)反應(yīng)凝固陶瓷材料(CBC，ChermicallvBondedCeramic)作背襯補(bǔ)強(qiáng)，將原型分離后得到*終模具。這一方法具有與SLA工藝同等的精度，可用于注塑模制造，但要解決電鍍工序時(shí)間長和需處理廢液污染等問題。
RSP方法是用高速隋性氣體將熔化的金屬液體霧化，噴射在石蠟、塑料或陶瓷原型(通過SLA、SLS或LOM方法制造)上，生成一薄層金屬，補(bǔ)強(qiáng)背襯并除去原型后得到模具。此法可制作注塑模具和沖壓模具，但是為了提高制件的表面質(zhì)量和機(jī)械性能需要進(jìn)行時(shí)效處理，增加了制模時(shí)間。
BadaerPattern公司、東京大學(xué)和日產(chǎn)汽車公司熔射制模法的基本工藝都是在原型表面形成熔射層，然后對熔射層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)并將熔射原型去除得到金屬模具。但Bad,erPattern公司只能熔射低熔點(diǎn)鋅合金，并采用樹脂·金屬復(fù)合材料對熔射層補(bǔ)強(qiáng)，致使模具的耐磨性和熱傳導(dǎo)性差，只能用于數(shù)百件注塑成形。東京大學(xué)開發(fā)的RHST方法則是以不銹鋼或碳化鎢合金等高融點(diǎn)材料為熔射材料，并以金屬材料對熔射層背襯補(bǔ)強(qiáng)，從而極大地改善了熔射模具的耐久性，使其能用于表面光滑或帶天然精細(xì)皮革紋飾塑料產(chǎn)品的大批量注塑成型以及金屬薄板成形。日產(chǎn)汽車公司的熔射制模法也采用不銹鋼作為熔射材料，并采用樹脂·金屬復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)，已用于數(shù)萬至二十多萬件的轎車覆蓋件成形，但與RHST法相比，該法不能用于表面帶天然精細(xì)皮革紋飾耐久注塑模具的制造，使用范圍受到限制。
在我國，關(guān)于金屬模具間接快速制造技術(shù)的研究受到高度重視，清華大學(xué)、華中理工大學(xué)在鑄造模方面取得了許多研究成果；上海交大用精密鑄造法快速翻制出汽車輪胎等金屬模具；西安交通大學(xué)采用樹脂原型、研磨石墨電極、電火花加工出(日質(zhì)模具；殷華公司及煙臺機(jī)械工藝研究所與煙臺泰利汽車快速模具公司合作采用電弧熔射鋅合金制作出快速經(jīng)濟(jì)注塑模具。
上述各種間接法都具有快速經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。但相比之下，鑄造法和粉末燒結(jié)法尺寸變化大，制模精度不高。電鑄復(fù)制精度雖高，但制模時(shí)間長、受電鑄材料種類限制且需處理廢液污染。熔射法具有模具材料種類和制模尺寸規(guī)格限制小、復(fù)制精度高等優(yōu)點(diǎn)。東京大學(xué)和日產(chǎn)公司開發(fā)的高融點(diǎn)材料熔射制模法極大地改善了模具的耐久性，因此在汽車、摩托車、家電和建筑裝飾等行業(yè)的模具尤其是目前市場急需的汽車內(nèi)外飾件和覆蓋件模具有廣闊的應(yīng)用前景。與直接法相Lk，間接法目前雖在實(shí)用化方面占有優(yōu)勢，但由于中間工序較多且受材料性質(zhì)和制造環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致精度控制難度大。因此，開發(fā)尺寸穩(wěn)定性好的制模材料及少工序間接制模法、實(shí)現(xiàn)工作環(huán)境的安定化是提高精度的關(guān)鍵，同時(shí)必須加快開發(fā)短流程直接制造金屬模具的方法。
2.2直接制模法
直接法尤其是直接快速制造金屬模具(DRMT：DirectRaoidMetalTooling)方法在縮短制造周期、節(jié)能省資源、發(fā)揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潛力，從而受到高度關(guān)注。目前的DRMT技術(shù)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保證其綜合性能質(zhì)量，從而直接快速制造耐久、高精度和表面質(zhì)量能滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)條件的金屬模具。目前已出現(xiàn)的DRMT方法主要有：以激光為熱源的選擇性激光燒結(jié)法(SLS·Se—lectiveLaserSintering)和激光生成法(LG·LaserGenerating)；以等離子電弧等為熱源的熔積法(PDM：PlasmaDetmsitionMethod，或PPW：PlasmaPowderWelding)；噴射成形的三維打印法(3DP：Three—DimensionalPrinting)。
SLS選擇性激光粉末燒結(jié)法的工藝大致為：先在基底上鋪上一層粉末，用壓輥壓實(shí)后，按照由CAD數(shù)據(jù)得到的層面信息，用激光對薄層粉末有選擇地?zé)Y(jié)。然后將新的一層粉末通過鋪粉裝置鋪在上面，進(jìn)行新一層燒結(jié)。反復(fù)進(jìn)行逐層燒結(jié)和層間燒結(jié)，*終將未被燒結(jié)的支撐部分去除就得到與CAD形體相對應(yīng)的三維實(shí)體。LohnerA．等采用Texas大學(xué)的SLS工藝，用Ni—Cu粉末直接制造的模具，密度為理論值的80％，強(qiáng)度為100—200MPa，精度為0.1mm，平均粗糙度Ra為10—15um，可用于數(shù)百件注塑成形。目前較為成熟的有兩種SLS工藝：一種是美國DTM公司的采用聚合物包覆金屬粉末的RavidTool工藝；一種是德國EOS公司的在基體金屬中混入低熔點(diǎn)金屬的DirectTool工藝。RavidTool工藝采用激光燒結(jié)包覆有粘結(jié)劑的鋼粉，由計(jì)算機(jī)控制激光束的掃描路徑，加熱融化后的粘結(jié)劑將金屬粉末粘結(jié)在一起(非冶金結(jié)合)，生成約有45％孔隙率的零件，干燥脫濕后，放入高溫爐膛內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)、滲銅，生成表面密實(shí)的零件，此時(shí)零件中的材料成分為65％的鋼和35％的銅。經(jīng)過打磨等后處理工序，得到*終的模具。DirectTool通過燒結(jié)過程使低熔點(diǎn)金屬向基體金屬粉末中滲透來增大粉末間隙，產(chǎn)生尺寸膨脹來抵消燒結(jié)收縮，使*終的收縮率幾乎為零。此外也有嘗試制造為碳化物、鉆混合的模具。由于SLS直接成形體相對密度低，要得到較高密度必須通過燒結(jié)、浸滲等后處理，這就增加了制模時(shí)間和成本，因此不能稱之為完全的DRMT，同時(shí)由于未熔顆料的粘結(jié)，表面質(zhì)量難以提高。
LG中有代表性的SandiaNationalLab的LMF(LaserMetalFormina)工藝是在激光熔敷基礎(chǔ)上開發(fā)的直接制模工藝，該工藝采用高功率激光器在基底或前一層金屬上生成出一個(gè)移動的金屬熔池，然后用噴槍將金屬粉末噴入其中，使其熔化并與前一層金屬實(shí)現(xiàn)緊密的冶金結(jié)合。在制造過程中，激光器不動，計(jì)算機(jī)控制基底的運(yùn)動，直到生成*終的零件形狀。制件密度為理論密度的90％，強(qiáng)度接近于鑄件，機(jī)械性能較好，而且還可調(diào)整送粉組分實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但由于殘余熱應(yīng)力的影響和缺乏支撐材料，精度難以保證，只適用于簡單幾何形狀的模具，而且與SLS過程類似，由于未熔顆粒的粘結(jié)，Ra只達(dá)到12μm。
3DP工藝類似噴墨打印機(jī)，鋪粉裝置將一層粉末鋪在基底或前一層粉末上面，通過噴頭在粉末上噴射固化結(jié)合劑，層層堆積形成三維實(shí)體，經(jīng)過燒結(jié)、浸滲，得到*終的模具。Michaelss等采用MIT的3DP技術(shù)直接制造的模具密度相
