金屬模具快速制造技術(shù)發(fā)展研究

李榮林

(泰州技師學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

1 金屬模具快速制造技術(shù)概況

快速制造技術(shù)對(duì)于金屬模具的目標(biāo)就是低成本制造，這是因?yàn)榻饘俨牧暇C合性能比較優(yōu)良，國際上發(fā)達(dá)國家快速制造技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了快速制造原型、快速制造軟模階段，目前的發(fā)展方向是快速制造硬模，現(xiàn)在對(duì)于快速制造金屬材料中的鐵系金屬硬模的研究已經(jīng)成為全世界的熱點(diǎn)。已經(jīng)提出的金屬模具快速制造技術(shù)分為直接快速成型和間接快速制造技術(shù)。直接制造技術(shù)是由快速硬模系統(tǒng)制造的，而間接制造技術(shù)是由實(shí)物模型來復(fù)制的。目前這兩種方法比較直觀的是間接法，因?yàn)橹苯臃ㄔ诰C合機(jī)械性能、表面質(zhì)量、精度和尺寸范圍等還存在某些問題。

2 金屬模具直接快速制造技術(shù)

直接法受到高度關(guān)注是由于其在降低成本、提高精度、發(fā)揮材料性能、節(jié)省資源、縮短制造周期等方面有很大的潛力。對(duì)快速制造金屬模具(DRMT)技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵在于保證綜合性能質(zhì)量、提高模具制造效率和表面精度，從而制造高質(zhì)量、高精度、耐久的能滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)的金屬模具。目前已經(jīng)出現(xiàn)的金屬模具直接快速制造技術(shù)有激光熔融堆積法（LENS）和選擇性激光燒結(jié)法（SLS）。其中激光熔融堆積法是基于激光熔覆，選擇性激光燒結(jié)法是以激光為熱源，還有金屬薄板LOM技術(shù)和三維打印技術(shù)(3DP)，這兩個(gè)都是噴射成形的。另外，還有以等離子電弧為熱源的熔積法(PDM)。

2.1 SLS 工藝

SLS工藝是有選擇的用激光燒結(jié)基底商的薄層粉末，然后鋪粉后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此反復(fù)的進(jìn)行層間燒結(jié)和逐層燒結(jié)，最終去除未被燒結(jié)的部分，就會(huì)得到三維實(shí)體。目前SLS工藝較為成熟的有美國的聚合物包裹金屬粉末、德國的混入低熔點(diǎn)金屬等。美國的聚合物包裹金屬粉末是利用加熱后的粘結(jié)劑、激光燒結(jié)包覆有粘結(jié)劑的鋼粉來粘結(jié)金屬粉末，生成多孔制的成形體，脫濕干燥后再進(jìn)行燒結(jié)、滲銅、打磨等工序，最終得到金屬模具；而德國的混入低熔點(diǎn)金屬工藝是讓低熔點(diǎn)技術(shù)滲透到金屬粉末中，這樣可以增大粉末的間隙，抵消燒結(jié)收縮，減小收縮率。由于SLS工藝所制成的成形體密度較低，還得經(jīng)過燒結(jié)和浸透才能達(dá)到較高的滿意度，這增加了時(shí)間和成本，故其不能成為完全的DRMT。

2.2 LENS 工藝

LENS工藝是以激光熔融技術(shù)為基礎(chǔ)而開發(fā)出來的，通過利用激光器在前一層金屬或基底上形成移動(dòng)熔池，將金屬粉末轉(zhuǎn)入噴槍噴入其中，從而使其熔化而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。計(jì)算機(jī)控制基底運(yùn)動(dòng)而不用激光器移動(dòng)，直接生成零件。此工藝比SLS工藝下的零件性能高，但是仍有不足，難以保證精度且缺乏支撐材料，適合制造簡(jiǎn)單性質(zhì)的模具。

2.3 3DP 工藝

3DP工藝是在粉末上噴射固化結(jié)合劑使粉末堆積成三維實(shí)體，再經(jīng)過燒結(jié)和浸透工序得到最終模具。其表面粗糙度和精度都比較差。最近出現(xiàn)了復(fù)制層積成形樹脂，等離子熔積法，可以獲得滿密度金屬，使用材料范圍廣。

2.4 薄板激光切割LOM技術(shù)

薄板激光切割LOM技術(shù)制成的有注塑成形模、真空成形模和沖壓模等，但是其對(duì)材料的利用率低且疊層間需要緊固處理、制作時(shí)間長等。另外，層削金屬塊結(jié)合法是將模具分成2維塊進(jìn)行結(jié)合，此種方法適用于加工性能高的鋁材質(zhì)和鋅材質(zhì)模具試制。

3 金屬模具間接快速制造技術(shù)

目前金屬模具間接快速制造技術(shù)主要有電鑄、熔射、粉末燒結(jié)、鑄造等方法。國外對(duì)于這些技術(shù)的應(yīng)用有CEMCOM公司的鍍鎳加陶瓷復(fù)合工藝以及別的公司的粉末成形燒結(jié)加浸透快速復(fù)制工藝。我國清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)和華中科技大學(xué)已經(jīng)采用電鑄、電極加工、鑄造等方法制成了快速經(jīng)濟(jì)模具。傳統(tǒng)方法在制造簡(jiǎn)單形狀模具和大尺寸模具時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。粉末燒結(jié)法與其他間接制模法相同的優(yōu)點(diǎn)之一是原型表面容易精加工，其不足的地方就是燒結(jié)、浸透和復(fù)制等工藝較為復(fù)雜。而且如果用的WC粉末角度較多的話，在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)會(huì)有困難；電鑄制模法的不足是其制模周期長，這是一個(gè)需要解決的問題；熔射制模法是形成金屬融合層后對(duì)其補(bǔ)強(qiáng)，然后取出原型后就會(huì)得到金屬模具，但是有的只能熔射熔點(diǎn)較低的鋅合金，有的卻通過開發(fā)耐熱被熔射原型，則其可以熔射熔點(diǎn)稍微高點(diǎn)的碳化鎢合金和不銹鋼等作為熔射材料。

金屬模具間接快速制造技術(shù)中粉末燒結(jié)法和鑄造法制模精度不高，而且其尺寸變化較大。電鑄法的復(fù)制精度高，但是其可用材料少、制模時(shí)間長且需處理廢液造成的污染。熔射法復(fù)制精度高、尺寸和材料的規(guī)格限制小。間接法與直接法相比在使用方面較有優(yōu)勢(shì)，但是其受制造環(huán)境溫度和材料性質(zhì)的影響，對(duì)精度的控制難度較大。

4 小結(jié)

市場(chǎng)全球化的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品的快速制造和開發(fā)提出更高的要求。我國在金屬模具快速制造技術(shù)方面剛剛起步，在鑄造法、熔射法和激光直接分層法方面都有相應(yīng)的研究，但是與國外還有一定的差距。為滿足產(chǎn)品快速制造的市場(chǎng)需求，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)金屬模具快速制造技術(shù)的研究。

[1]單忠德.金屬模具的無模化鑄型快速制造技術(shù)[J].金屬加工(熱加工),2010,3(1):16-18.

[2]賈吉林,張昌明.基于RP的快速模具制造技術(shù)的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,9(1):93-95.