引言

　　快速成形與制造(RPM：RapidPrototvfolng&Manufacturing)是融激光、材料科學、信息與控制技術等為一體的分層——層積技術，堪稱是20世紀后半期制造技術最重大的進展之一。RPM技術誕生10余年來已在汽車、家電、航空、醫療等行業中得到廣泛應用。國外大型企業如通用、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，都積極在產品設計過程中采用這項技術，進行產品的有關設計檢驗、外觀訐審、裝配實驗、動態分析、光彈應力分析、風洞實驗等，成功地實現了面向市場的產品造型設計敏捷化。而隨之興起的快速制模尤其是快速制造金屬模具(RMT：RapidMetalTooling)則是由新產品設計迅速形成高效、低成本、優質的批量生產并搶占市場的必由途徑，是RPM技術進一步發展并取得更大經濟效益所面臨的關鍵課題，成為當前RPM技術研究的國際前沿。值此世紀之交，該技術被美國汽車工程雜志訐為全球15項重大技術之首，受到全球制造業的廣泛關注。

　　1、快速制模技術的發展簡況

　　隨著多品種小批量時代的逐步來臨和企業要求模具能保證新產品快速占領市場，開發快速經濟模具越來越引起人們的重視，例如用環氧聚脂或其中混入金屬、陶瓷、玻璃等增強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。其主要特點是制造工藝簡單、生產周期短、價格便宜。但由于材料的導熱性和機械性能不高，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一步改善。相比之下，由于金屬材料具有優良的綜合性能，金屬模具低成本快速制造成為RPN技術的努力目標。世界先進工業化國家的RPM技術在經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)方向發展，RMT已成為國際RPN技術應用研究開發的熱點。

　　2、金屬模具制造

　　業已提出的眾多RNT方法可分為由CAD數據及RP系統制作的快速原型或其他實物模型復制金屬模具的間接法和根據CAD數據直接由RP系統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。直接法雖然受到關注，但由于尺寸范圍及精度、表面質量、綜合機械性能等方面存在問題，離實用化尚有相當差距，目前最成熟的RNT法是間接法。

　　圖1 快速制造金屬模具的工藝線路

　　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技術主要是粉末燒結、電鑄、鑄造和熔射等間接制模法。國內外這方面的研究非常活躍，有許多金屬模具間接快速制造技術的研究及應用事例。如3Dsystems公司的基于SLA原型的粉末成形燒結+浸滲快速復制(Keltool)工藝、CEMCOM公司的鍍鎳+陶瓷復合(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金屬薄殼成形系統的鑄造工藝、BadgeRPattern公司的鋅合金噴涂+樹脂·金屬復合材料補強工藝和東京大學的RHST(RaopidHardSorayTooling)以及日產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型--填充金屬粉末及粘結劑十放入高溫爐膛內進行燒結、滲銅--得到最終模具。模具型腔經過熱處理后表面硬度可以達到48~50HRC。用A6工具鋼制造的模具能夠生產數千件產品，但此法制模過程時間長，且工藝復雜。

　　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，然后在鎳質鍍層上用化學反應凝固陶瓷材料(CBC，ChermicallvBondedCeramic)作背襯補強，將原型分離后得到最終模具。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，補強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量和機械性能需要進行時效處理，增加了制模時間。

　　BadaeRPattern公司、東京大學和日產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，然后對熔射層進行補強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鋅合金，并采用樹脂·金屬復合材料對熔射層補強，致使模具的耐磨性和熱傳導性差，只能用于數百件注塑成形。東京大學開發的RHST方法則是以不銹鋼或碳化鎢合金等高融點材料為熔射材料，并以金屬材料對熔射層背襯補強，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皮革紋飾塑料產品的大批量注塑成型以及金屬薄板成形。日產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·金屬復合材料補強，已用于數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，關于金屬模具間接快速制造技術的研究受到高度重視，清華大學、華中理工大學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;西安交通大學采用樹脂原型、研磨石墨電極、電火花加工出(日質模具;殷華公司及煙臺機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濟注塑模具。

　　上述各種間接法都具有快速經濟的特點。但相比之下，鑄造法和粉末燒結法尺寸變化大，制模精度不高。電鑄復制精度雖高，但制模時間長、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格限制小、復制精度高等優點。東京大學和日產公司開發的高融點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的模具尤其是目前市場急需的汽車內外飾件和覆蓋件模具有廣闊的應用前景。與直接法相Lk，間接法目前雖在實用化方面占有優勢，但由于中間工序較多且受材料性質和制造環境溫度的影響，導致精度控制難度大。因此，開發尺寸穩定性好的制模材料及少工序間接制模法、實現工作環境的安定化是提高精度的關鍵，同時必須加快開發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、節能省資源、發揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潛力，從而受到高度關注。目前的DRMT技術研究和應用的關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量，從而直接快速制造耐久、高精度和表面質量能滿足工業化批量生產條件的金屬模具。目前已出現的DRMT方法主要有：以激光為熱源的選擇性激光燒結法(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法的工藝大致為：先在基底上鋪上一層粉末，用壓輥壓實后，按照由CAD數據得到的層面信息，用激光對薄層粉末有選擇地燒結。然后將新的一層粉末通過鋪粉裝置鋪在上面，進行新一層燒結。反復進行逐層燒結和層間燒結，最終將未被燒結的支撐部分去除就得到與CAD形體相對應的三維實體。LohnerA.等采用Texas大學的SLS工藝，用Ni—Cu粉末直接制造的模具，密度為理論值的80%，強度為100—200MPa，精度為0.1mm，平均粗糙度Ra為10—15um，可用于數百件注塑成形。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金屬的DirectTool工藝。RavidTool工藝采用激光燒結包覆有粘結劑的鋼粉，由計算機控制激光束的掃描路徑，加熱融化后的粘結劑將金屬粉末粘結在一起(非冶金結合)，生成約有45%孔隙率的零件，干燥脫濕后，放入高溫爐膛內進行燒結、滲銅，生成表面密實的零件，此時零件中的材料成分為65%的鋼和35%的銅。經過打磨等后處理工序，得到最終的模具。DirectTool通過燒結過程使低熔點金屬向基體金屬粉末中滲透來增大粉末間隙，產生尺寸膨脹來抵消燒結收縮，使最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、浸滲等后處理，這就增加了制模時間和成本，因此不能稱之為完全的DRMT，同時由于未熔顆料的粘結，表面質量難以提高。

　　LG中有代表性的SandiaNationalLab的LMF(LaserMetalFormina)工藝是在激光熔敷基礎上開發的直接制模工藝，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現緊密的冶金結合。在制造過程中，激光器不動，計算機控制基底的運動，直到生成最終的零件形狀。制件密度為理論密度的90%，強度接近于鑄件，機械性能較好，而且還可調整送粉組分實現組織結構優化。但由于殘余熱應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，Ra只達到12μm。

　　3DP工藝類似噴墨打印機，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合劑，層層堆積形成三維實體，經過燒結、浸滲，得到最終的模具。Michaelss等采用MIT的3DP技術直接制造的模具密度相當于理論密度的60%，強度低于鑄件，而且精度和表面粗糙度差。

　　等離子熔積法(PDM)具有使用材料范圍廣、能獲得滿密度金屬零件的特點。起源于前德國Kruoo和Thvssen公司的埋弧焊接，能夠實現大型或特大型容器的成形焊，其機械性能、組織優于鑄鍛組織，通過適當選擇工藝參數可以減少殘余應力和裂紋發生，提高堆焊高度。此外，薄鋼板的LOM技術也可制造金屬模具，但疊層間需焊接等緊固處理，且材料利用率低，薄板熱變形也影響成形精度和粗糙度。

　　然而，上述方法都是基于堆積成形的原理，不可避免要產生側表面階梯效應，致使精度低、表面質量差，且存在綜合力學性能不高等方面的問題，目前尚多用于金屬零件的制造。值得注意的是，Stanford大學的AmonC.H等人最近開發出形狀沉積制造(SDM)工藝，并研制出與CNC加工集成的裝置。其工藝特點是利用焊接原理熔化焊材(絲狀)，并借助熱噴涂原理使超高溫熔滴逐層沉積成形，實現層間冶金結合。但因焊接弧柱的不穩定、以及可控參數的協調性等問題，很容易出現翹曲和剝離。采用CNC對外輪廊和表面精整，在解決RPM技術中共有的、因逐層堆積產生的側表面階梯效應造成的精度和表面質量問題方面做了有益的嘗試，但這種工藝目前尚局限于簡單形狀金屬零件制造。

　　下表給出了幾種快速制模方法的有關性能參數。從表中可以看出，間接制模法生產的模具表面質量和尺寸精度都較直接法高，制作大型模具時，間接法較直接法具有更大的優勢，但現有RPMT技術尚不能直接快速制造能滿足工業化批量生產要求的高精度、高性能、高表面質量的復雜形狀金屬模具。因此，要解決直接快速制造復雜形狀金屬模具的精度、表面質量和綜合力學性能的問題，有必要探索新的直接快速精細制模方法。

　　表1 幾種快速制模方法的有關性能參數

　　3、展望

　　鑒于模具技術在制造業中所處的關鍵地位，快速制模尤其是快速制造金屬模具技術的開發研究受到高度關注，概括該技術面臨的關鍵問題和發展趨勢有以下幾個特點：

　　(1)快速軟模及陶瓷等模具的使用范圍受到限制，壓鑄、注塑、沖壓等主導模具的金屬模具快速制造是RPN技術努力的目標。

　　(2)以快速原型等各種原型和鑄造、熔射等技術相結合的間接法與直接法相比實用化方面占優勢，但因工序增加和受材料性質及制造環境的影響，致使精度控制難度大。開發尺寸穩性好的制模材料、減少制模工序、實現工作環境的安定化是提高間接法制模精度的關鍵。

　　(3)基于堆積成形原理的直接制模法在表面及尺寸精度、綜合機械性能等方面尚難以滿足高精度、高表面質量的耐久模具制造要求，且成本高、尺寸規格受限制。以低成本且適于精細加工及多種材料成形的堆積和去除成形技術集成，將是提高直接制模法的實用性、材料適應性和表面精度的有效方法。

　　(4)快速制模法適合我國國情，具有廣闊的應用前景。與高速銑削加工相比，在表面帶精細復雜形狀和電火花加工難以省去的金屬模具制造方面占有優勢。要進一步提高快速制模技術的競爭力，必須開發加工數據生成較數控加工數據生成更容易，并能獲得所需的尺寸及表面精度材料選擇范圍廣的直接快速制模新方法。