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快速模具制造技术的发展
摘要:
快速成形与制造（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，目前正向快速模具制造（ＲＴ）方向迅速发展。主要介绍了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，分析了模具快速制造的特点和问题，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: 快速成形 RMT技术 快速模具 RT技术
近年来，制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障，快速响应制造已成为国际研究的热点，应运而生的快速成形/快速制模/快速制造技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段，逐渐成为业界的焦点。据有关媒体报道，传统制造业的战略是规模效益第一，二十世纪八十年代提出价格和质量第一，九十年代以来，已发展为市场响应第一。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。
快速成形/快速制模/快速制造技术是基于材料累加成形的一种高新制造技术,被认为是20世纪制造领域的一次革命性突破，可制造注塑模、压铸模、冲压模等各类精密复杂模具，目前已广范应用于汽车、航空航天、船舶、家电、工业设计、医疗、建筑、工艺品制作以及儿童玩具等领域，并且随着这一技术本身的不断发展和完善，其应用范围将不断拓广。
在汽车、家电制造业中，模具成形零件占到了制造工时的50％～70％。模具制造是制约我国汽车、家电、轻工等行业发展的瓶颈和关键，随着快速成型软硬件设备与快速成型材料的不断发展和完善，快速原型件的强度和精度得到不断的提高，快速成型技术已经逐渐地深入到快速模具制造领域，基于快速成型方法制造各类简易经济快速模具已成为RP&M应用的热点问题。
一、模具快速制造
虽然快速成形技术问世时间不长,但由于它对制造业带来的巨大效益使得这
一技术的应用日益广泛，特别是给模具的设计与制造带来了一次飞跃。快速原型技术可精确制作模具的型心和型腔，也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。由于快速原型制造这一新技术的应用,使模具的设计与制造逐步趋向于数字化、快速化，使模具制造在缩短周期，降低成本的进程中，大大前进了一步。
快速制模技术大都是依据快速成型制作的实体模型即样模(母模)采用拷贝方式(如金属喷涂、电镀、复合材料浇注、精铸等)来快速制造模具主要工作零件(凸、凹模或模腔、模芯)的，其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/5～1/10，而成本却仅为其1/3～1/5。
根据模具材料、生产成本、RP原型的材料、生产批量、模具的精度要求已开发出多种多样的工艺方法。目前的快速制模方法大致有间接制模法和直接制模法，基于RP快速制造模具的方法多为间接制模法。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具有软模、桥模和硬模。软模(softtooling)通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。桥模(bridgetooling)通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达1000～5000件，可满足中小批量生产的需要。硬模(hardtooling)通常指的就是钢质模具，即用间接方式制造金属模具和用快速成形直接加工金属模具。
企业间的竞争日益加剧，产品开发周期要求越来越短，为快速制模技术提供了发展机遇和发展空间。随着工业化生产的发展，快速制模技术越来越受到产品开发商和模具界广泛重视，对其研究正方兴未艾，新的技术成果不断涌现，呈现出生机勃勃的发展趋势，有着强大的生命力。
二、注塑模快速制造技术—金属喷涂制模法
1、金属喷涂制模法简介
金属喷涂制模法是将快速原型与热喷涂、快速凝固等方法相结合的间接制模法，其工艺是将熔融或半熔融的金属颗粒喷射到通过SLA、SLS或LOM方法制造的原型上，生成金属薄层，然后补强背衬并除去原型后得到模具产品。目前有两种形式，即雾化喷射法（快速凝固工艺RSP）、喷涂法。当模具要求的寿命在3000件以下时，一般采用以RP原型作母模，将低熔点的熔化金属（如锌铝合金）充分雾化后以一定的速度喷射到母模的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料，制作锌铝合金软模具。
金属喷涂制模法以样模为标准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于样模，型腔表面及其精细花纹一次同时形成，故制模速度快，制造周期短，模具寿命长，成本低，仅为数控法加工钢模的1/3-1/5。模具表面光洁度好，工艺简单，设备要求低，比较适合于注射成型模、压铸模、板料压延模的快速制造。
2、金属喷涂制模法工序
金属喷涂制模的工序大致可分为五个步骤：
（1）模型准备
模型可由许多材料制成，包括塑料、石膏、橡胶、木材等。首先建立三维模型，然后对其进行分层切片，并由快速成型机制作出样模。模型准备中最重要的是清理模型表面和涂抹脱模剂。
（2）金属喷涂模型
脱模剂干燥后，选择最佳的喷涂参数，即可开始在模具上喷涂金属，喷涂时应保证使喷枪连续运动，防止涂层过热变形，涂层厚度一般可控制在2～3mm。
（3）制作模具框架
如果模具在工作中要受到内压力或模具必须安装在成型机上工作，模具必须有骨架结构且制成的骨架应带有填料。
（4）浇注模具的填充材料
应使填充材料具有较高的热导率和较低的凝固收缩率以及较高的抗压强度和耐磨性能。一般选择的填充材料为环氧树脂与铝粉、铝颗粒等金属粉末的混合物。
（5）脱模及模具型腔表面抛光处理
脱模后要把残留在金属涂层表面的脱模剂清洗干净，然后再根据不同的需要，对模具进行抛光等后期制作。
（6）组装试模
3、喷涂设备与喷涂材料
金属电弧喷涂工作系统一般由喷涂电源、送丝机构、喷枪和压缩气体等系统组成。XDP-5型电弧喷涂设备工作稳定可靠，使用维护方便，能胜任繁重的喷涂工作，其基本参数为：
电源电压：380 V
额定输入容量：12 KVA
额定电流：300 A
压缩空气使用压力：0.6 Mpa
压缩空气消耗量：1.6～2 m3/min
送丝速度：0～4.8 m/min
用于电弧喷涂制模的材料，在满足低熔点、低收缩率的情况下，应尽可能具有较好的力学性能和较致密的涂层组织。目前市场提供的电弧喷涂用丝材有铝、锌、铜、镍、不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合丝等许多品种。但高熔点金属，如钢、镍、铜等在喷涂时涂层收缩率、热应力、孔隙率都比较大，涂层易开裂、翘曲、剥落，所以目前只有低熔点的锌、铝丝材适合用于模具制造。
三、金属喷涂快速制造注塑模技术的应用范例与发展
金属喷涂方法制造的模具特别适于生产反应注塑成型工艺中的聚氨酯零部件的生产，广泛用于塑料加工中的反应注塑成型、吹塑成型、结构发泡以及其它一些注塑成型等工艺中，如汽车制造中可以用来生产驾驶盘、汽车仪表盘、座垫、头部靠垫、阻流板、汽车内饰顶蓬等，在轻工业中则可以用来制造聚氨酯鞋底等，金属喷涂快速模具较硅橡胶快速模具的寿命要长，可以应用在注塑机上进行小批量的制品生产。在应用注塑工艺时应考虑到低熔点合金金属喷涂型腔的性能以及模具的寿命极限。为防止模具过早损坏，注射压力不宜过高，但也必须保证制品能够成形的最小注射压力，否则会产生注不满的现象。
金属喷涂注塑模具的成功应用范例：
1.花盆底座注塑模具
如果用传统的电火花加工的方法，其成本约在4000～5000元之间，制作时间约在一个月左右，而用电弧喷涂快速制模方法来制作，其费用约为1100元左右，工时为60h左右。这也正是电弧喷涂快速模具制造得到广泛重视的原因之一。
花盆底座注塑模具制作加工工序：机加工喷涂用底板→凹模型腔壳体喷涂前准备→喷涂凹模金属壳体→环氧树脂和铝粉配置与填充→环氧树脂固化→喷涂母模表面清理→喷涂凸模金属壳体→环氧树脂和铝粉配置与填充→环氧树脂固化→凸、凹模分离与模具表面清理→机加工模具零件→组装试模。
2.滴灌用滴头快速模具
国家节水灌溉中心的滴灌用滴头快速模具是通过制作滴头RP模型，采用金属喷涂制模法制造锌铝合金软模具，注射成型1000件滴头产品，用于农业节水灌溉试验。国家节水灌溉中心以RP&M原型作母模来翻制滴灌用滴头模具，发挥了快速成型制造技术的优越性，快速地实现了新产品的试制，含RP原型，制作生产周期为仅为2周。
3、爱达荷注塑模具
美国爱达荷国家工程与环境试验中心采用快速凝固工艺即RSP技术实现了注塑模具的快速经济制造。该方法采用快速原型技术制作的样件作为母体样板，通过喷涂到母体样板的金属或合金熔滴的沉积制造模具。 工艺过程为：熔融的工具钢或其它合金被压入喷嘴，与高速流动的隋性气体相遇而形成直径约0.05mm的雾状熔滴，喷向并沉积到母体样板上，复制出母样的表面结构形状，借助脱模剂使沉积形成的钢制模具与母样分离，即可快速制出所需模具。
最近，西安交通大学机械工程学院先进制造技术研究所成功采用“电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造技术” 进行轿车新车型开发中大型冲压模具快速制造，该技术集成了快速原型、电弧喷涂和电刷镀等技术，采用电弧喷涂工艺在模具母模表面快速沉积一层致密的低熔点金属薄壳，从而制作出模具的型腔；在填充适当的背衬材料并脱模后，利用电刷镀技术在模具工作表面刷镀强化涂层，进而完成模具的快速制造。
利用该技术与设备，结合快速原型制造技术和高速数控加工技术，可以低成本高效率地进行大型、精密、复杂以及长寿命模具的快速制造。
采用电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造技术制造覆盖件模具，成本只有传统机械加工钢模具的1/10，制造周期为后者的1/4～1/5，经济效益十分可观，非常适合于新车型开发中的样车试制和小批量生产。该技术也可以用于注塑模具快速制造。
