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1 引言 

快速成形技術(RPM)是利用離散/堆積原理 (如凝固、膠接、焊接、燒結、聚合或其他化學反應)來制造零件的。其工作過程是通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，通過堆積將材料 "疊加"起來形成三維實體。首先在CAD造型系統(tǒng)中獲得一個三維CAD模型或通過測量儀器測取零件實體的形狀和尺寸，將其轉化成CAD模型;其次將CAD模型進行數(shù)據(jù)處理，沿某一方向(通常為Z向)將CAD模型離散化，進行平面切片分層。然后將離散得到的分層信息與成形工藝參數(shù)信息相結合，轉換為控制成形機工作的數(shù)控代碼，通過專用的CAM系統(tǒng)控制材料有規(guī)律地、精確地疊加起來 (堆積)而成一個三維實體制件。可見，從成形學角度來看，快速成形技術是采用的 "堆積成形"方式。從數(shù)學角度來看，快速成形技術的工作過程也可以看作是一個微分與積分的過程。從材料形態(tài)變化角度來看，快速成形技術是一個材料物質分解與組合的過程。所以快速成形技術是一種集計算機輔助設計、精密機械、數(shù)控、激光技術和材料科學為一體的新技術。與傳統(tǒng)的制造方法有著本質的區(qū)別。由于RPM技術在制造產(chǎn)品過程中不會產(chǎn)生廢棄物 (如切屑冷卻潤滑液等)造成環(huán)境污染，所以，也是一種綠色制造技術。由于RPM采用將三維形體轉化為二維平面分層制造的原理，對物體構成復雜性RPM為技術支撐的快速模具制造RT也正是為了縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，早日向市場推出適銷對路的、按客戶意圖定制的多品種、小批量產(chǎn)品而發(fā)展起來的新型制造技術。由于產(chǎn)品開發(fā)與制造技術的進步，以及不斷追求新穎、奇特、多變的市場消費導向，使得產(chǎn)品 (尤其是消費品)的壽命周期越來越短已成為不爭的事實。所以，工業(yè)發(fā)達國家已將RPM/RT作為縮短產(chǎn)品開發(fā)時間及模具制作周期的重要研究課題和制造業(yè)核心技術之一，我國也已開始了快速制造業(yè)的研究與開發(fā)應用工作。 

2 典型快速成形工藝方法介紹 

設計者將零件的物理模型通過三維CAD造型，或三維數(shù)字化轉化為零件的三維設計 CAD模型，然后再對模型數(shù)據(jù)進行處理，用分層軟件對其進行分層切片，沿某一方向進行平面 "分層"離散化，得到各層截面輪廓。據(jù)此，快速成形系統(tǒng)的成形按選擇固化方式 (立體光刻法、粉末燒結法、薄層堆積法、熔融沉積和三維打印)進行堆積成形。目前各種RPM方法有許多種，但較常用的主要有SLA,LOM,SLS,FDM,TDP等原理的快速造型系統(tǒng)。 

2.1 立體光刻技術 

SLA的工作原理如圖1所示，是以液態(tài)光敏樹脂 (例如一種特殊的環(huán)氧樹脂)為造型材料，采用紫外激光器為能源:一種是氦一福激光器 (波長 325nm，功率15~50MW)，另一種是氨離子激光器(波長351~365nm，功率 100~500MW )，激光束光斑大小為0.05~3mm。由CAD設計出三維模型后將模型進行水平切片，分成為成千上萬個薄層，生成分層工藝信息，按計算機所確定的軌跡，控制激光束的掃描軌跡，使被掃描區(qū)域內(nèi)的液態(tài)光敏樹脂固化，形成一層薄固體截面后，升降機構帶動工作臺下降一層高度，其上復蓋另一層液態(tài)光敏樹脂，接著進行第二層激光掃描固化，新固化的一層牢固地粘在前一層上，就這樣逐層疊加直到完成整個模型的制作。一般每個薄層的厚度0.07~0.4mm，模型從樹脂中取出后，進行最終硬化處理加以打光、電鍍、噴漆或著色等即可。

2.2 薄材疊層成形技術

薄材疊層成形技術是通過對原料紙進行激光切割與粘合的方式來形成零件的。如圖2所示，其工藝是先將單面涂有熱熔膠的紙通過加熱輥加壓粘結在一起，此時位于其上方的激光器按照分層CAD模型所獲得的數(shù)據(jù)，將一層紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置，將下面已經(jīng)切割的層粘合在一起，激光再次進行切割。切割時工作臺連續(xù)下降，切割掉的紙片仍留在原處，起支撐和固化作用，紙片的一般厚度為0.07~0.1mm。該方法特點是成形速率高，成本低廉。

2.3 選區(qū)激光粉末燒結技術

選擇性激光燒結 (SLS)的成形方法是。在層面制造與逐層堆積的過程中，用激光束有選擇地將可熔化粘結的金屬粉末或非金屬粉末 (如石蠟、塑料、樹脂沙、尼龍等)一層層地掃描加熱，使其達到燒結溫度并燒結成形;當一層燒結完后，工作臺降下一層的高度，鋪下一層的粉末，再進行第二層的掃描，新燒結的一層牢固地粘結在前一層上，如此重復，最后燒結出與CAD模型對應的三維實體。如圖3所示。選擇性激光燒結 (SLS)突出的優(yōu)點在于它是以粉末作為成形材料，所使用的成形材料十分廣泛，從理論上來說，任何被激光加熱后能夠在粉粒間形成原子間連接的粉末材料都可以作為SLS的成形材料。

2.4 熔融沉積成形技術

FDM的基本原理是:加熱噴頭在計算機的控制下，根據(jù)截面輪廓信息作X--Y平面運動和高度Z方向的運動，絲材 (如塑料絲、石臘質絲等)由供絲機構送至噴頭，在噴頭中加熱、熔化，然后選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面輪廓，層層疊加最終成為快速原型。用此法可以制作精密鑄造用蠟模、鑄造用母模等。

2.5 三維打印技術 (TDF)

三維打印是一種不依賴于激光快速成形技術，其噴頭噴射出來的材料呈液態(tài)，更像噴墨式打印頭那樣，形成三維實物。TDP法可用的材料范圍可以很廣，尤其是可以制作陶瓷模。

3 快速成形模具制造

由于模具是一種技術密集型產(chǎn)品，其設計制造涉及材料、工藝、設備等各種因素，因此制模時間長，一般中等復雜的注塑模、壓鑄模、鍛模的設計與制造需要3個月或更長的時間。因此，RPM技術一問世，就被迅速應用于快速模具制造上。快速制模 (RT)技術大都依據(jù)快速成形制作的實體模型即樣模 (母模)采用拷貝方式 (如金屬噴涂、電鍍、復合材料澆注、精鑄等)快速制造模具主要工作零件 (凸、凹模或模腔、模芯)，其制造周期一般為傳統(tǒng)的數(shù)控切削方法的1/5-1/10，而成本卻僅為其1/3-1/5。快速成形模具制造分為直接法和間接法兩大類，可應用于金屬模和非金屬模的制造。

3.1 直接制造金屬模具

短工期和小批量的零件制造的最好方法就是快速成形直接制造模具，能在幾天內(nèi)完成非常復雜的零部件模具的制造，而且越復雜越能顯示其優(yōu)越性。用選域激光燒結直接制作鑄造型殼，是在計算機CAD環(huán)境中，將設計好的零件三維實體模型直接翻成零件的反型，經(jīng)過適當?shù)奶幚聿⒃O計相應的澆冒口系統(tǒng)，得到型殼的CAD圖形。在SLS燒結過程中，型殼成為燒結實體，零件仍是未燒結的粉末，將殼體內(nèi)部的粉末清除干凈即是型殼。

3.1.1 直接制作鑄造型殼、滲金屬

用選區(qū)激光燒結技術直接成形的金屬模具往往是低密度的多孔結構，可將低熔點相的金屬滲人后直接成形金屬模具。

3.1.2 直接沉積成形

制件的強度與精度問題一直是需要攻克的難題。以鋼、鋼合金、鐵鎳合金、欽鋁合金、鎳鋁合金為原料，采用激光技術，將金屬直接沉積成形，其生產(chǎn)的金屬模具強度超過了傳統(tǒng)方法的金屬模具。DTM公司開發(fā)了一種在鋼粉外表面包裹薄層聚醋的快速成形燒結材料，其金屬粉末已由碳鋼改變?yōu)椴讳P鋼，所滲的合金由黃銅改變?yōu)榍嚆~，并且不像原來那樣需要中間加滲液態(tài)聚合物，其加工過程幾乎縮短了1/2。經(jīng)選域激光燒結工藝快速燒結成形后可直接制造金屬模具，這種模具含鋼400。鑄模使用壽命高達數(shù)萬件。但這種方法工藝較復雜。

3.2 間接制造金屬模具

快速成形可用來間接制造模具。間接制模法指制硬模具，或采用噴涂金屬法獲得輪廓形狀，或者制作母模復制軟模具等。對快速成形制造技術得到的原型表面進行特殊的處理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，或者由原型經(jīng)硅橡膠模過渡轉換得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型澆注出金屬模具 。

隨著成形制造技術的提高，這種間接制模工藝已基本成熟，其方法則根據(jù)零件生產(chǎn)批量大小而不同。常用的有硅橡膠模，批量50件以下;環(huán)氧樹脂模，數(shù)百件以下;金屬冷噴涂模3000件以下;快速制作EPM電極加工鋼模5000件以上。

3.2.1 金屬冷噴涂模

以快速成形原型為樣模，將低熔點金屬充分霧化后以一定的速度噴射到樣模表面，形成模具型腔表面，背部充填鋁的環(huán)氧樹脂或硅橡膠復合材料支撐，將殼與原型分離，得到精密的金屬模具，也稱硬模。這通常指的是用間接方法制造，加人澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和模架構成注塑模具。其特點是工藝簡單，周期短，型腔及表面精細花紋一次同時形成，省去了傳統(tǒng)模具加工中的制圖、數(shù)控加工和熱處理等昂貴、費時的步驟，不需機加工，模具尺寸精度高，成本低。美國愛達莎工程與環(huán)境實驗中心采用快速凝固工藝實現(xiàn)了注塑模的快速經(jīng)濟制造。該方法采用快速成形技術制作的樣件作為母樣，通過噴涂到母樣的金屬或合金熔滴的沉積制作模具。其工藝過程為熔融的工具鋼或其他合金被壓人噴嘴，與高速流動的惰性氣體相遇后形成霧狀熔滴，噴向并沉積到母樣上，復制出母樣的表面結構形狀，再借助脫模劑使沉積形成的鋼制模具與母樣分離，即可制出所需模具。母樣使用的材料取決于噴涂其上的合金材料。對于噴涂工具鋼來說，可選用陶瓷材料，類似材料還有鋁氧粉可供選擇。

3.2.2 熔模制造法制造鋼模

此法分為制作單件和多件鋼鐵型腔。

(1)制作單件鋼或鐵型腔。工藝過程為用快速成形系統(tǒng)制作原型母模，將母模浸入陶瓷砂液形成模殼，在爐中固化模殼，燒去母模，澆注時在爐中面拋光，加人澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等后，鑄造批量生產(chǎn)注塑模。鑄造鋁、銅之類的失蠟澆注模也可以用此法制作。

(2)制造多件鋼或鐵型腔。用快速成形系統(tǒng)制作原型母模。用金屬進行表面噴鍍，或用鋁基復合材料、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨醋澆注，構成蠟模的成形模。在成形模中用熔化蠟澆注蠟模，浸蠟模于陶瓷砂液中，形成模殼。在爐中固化模殼，熔化蠟模。在爐中預熱模殼并在

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