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【摘 要】十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成形技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。本文介绍了RP技术在金属模具制造中的应用。
【关键词】快速成形；金属模具；应用
目前，我国金属工业正处在迅猛发展的时期，大学金属模具的快速、低成本制造时决定金属制造业取得竞争成功的关键因素之一。快速成形技术（Rapid Prototyping）是20世纪80年代发展起来的一种集计算机辅助设计、精密机械、数控、激光技术和材料科学为一体的全新制造技术。由于其高度柔性和快速性，得到了广泛的研究和应用。以快速成形为技术支撑的快速金属模具制造作为缩短产品开发时间及模具制作周期的先进制造技术已成为当前的重要研究课题和制造业核心技术之一。
1.RP技术
快速成形技术又称快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM）技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有四种基本类型：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法。
快速成形技术具有以下特点：（1）制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；（2）原型的复制性、互换性高；（3）制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；（4）加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；（5）高度技术集成，可实现了设计制造一体化。
2.RP技术在金属模具制造中的应用
基于RP 技术的金属模具制造技术的实质是用先进的精密热加工代替冷加工，大型快速原型制造系统本身也是一种复杂的NC加工设备， 它的出现大大改变了模具制造的现状。该技术将NC加工技术从冷加工转移到热加工，以获得精密的“毛坯”即模具。先进制造技术发展的事实证明精密热加工使得“毛坯”精化，甚至制造出精密的零件，从而减少了对冷加工的技术要求，提高了生产效率，降低了成本。
RP技术是先进制造技术的重要组成部分，是综合了计算机、数控、激光、新材料和CAD CAM等新技术而形成的一种基于离散堆积成形原理的直接从CAD三维模型设计到实际原型？觟零件加工的全新制造方法，是当代制造领域的前沿技术。RP技术的基本原理是离散？觟堆积成形原理，三维形体在离散过程中被沿1至3个方向分解，生成形体的各个截面、截线和截点，称之为离散面、离散线和离散点，将这些离散体（面、线和点） 转换成实体，并将它们依照原先的顺序堆积还原成三维形体的实体形状。RP技术的特点是通过离散获得材料堆积的路径、顺序和方式，在数控系统控制下将材料逐层“迭加”起来形成三维实体，实现数字化成形， 三维CAD电子模型被沿Z向离散，生成一系列二维层面数据，再将分层后的数据进行处理，加入加工参数，生成数控代码，数控系统以平面加工方式顺序加工出每个层片并使它们堆积、粘接成形，构成三维物理实体。
3.具体方法研究
基于RP的快速金属模具制造技术分为间接方法和直接方法。金属模具间接快速制造目前主要有铸造、粉末烧结、电铸、熔射等方法。国内外在此方面已有许多研究及应用事例。直接快速制造金属模具方法在缩短制模周期、发挥材料性能、降低成本方面极具潜力，因而受到高度关注，其目标是直接快速制造耐久、尺寸及表面精度高、可用于工业化批量生产的金属模具，如SLS等方法。
3.1铸造制模法
铸造法最早实现与RP技术相结合，其中有代表性的是美国3D Systems公司的Quick Casting工艺，特点是采用SLA原型代替蜡模实现精密铸造。类似的还有采用FDM制造蜡模等。从理论上讲铸造法可以制造注塑模、冲压模、锻造模、压铸模等，但在大尺寸模具和简单形状模具制造方面不优于传统方法，且因铸造法本身的表面和尺寸精度不高，仍难以制造注塑模和压铸模等表面和尺寸精度要求高的金属模具。
3.2粉末烧结法
3D Systems公司的Keltool工艺是在原型或硅胶模内注入金属粉末与结合剂的混合物，待其固化后脱模，经烧结、浸渗树脂或铜、锡等工序后获得模具。其优点类似粉末冶金法，使用材料限制少。不足之处是复制、烧结、浸渗等工序多，致使制模时间和成本的增加。采取添加微细球状粉末等措施，已使尺寸精度控制在0.3%以下。
东京大学中川威雄研究室开发的粉末注入Power Casting方法与前者的区别是，先将粉末注入硅胶模内，然后注入结合剂。经加压、烧结、渗铜等工序后得到不锈钢模具。该方法精度高于前者，但工艺繁杂，不适于制造大尺寸模具。
3.3 SLS方法
SLS的工艺大致是，用激光对基底上所铺的薄层粉末有选择地烧结，然后将新一层粉末铺在其上，进行下一层烧结。反复进行逐层烧结和层间烧结，最终将未被烧结的支撑部分去除就得到与CAD形体相对应的三维实体。由于得到的只是低密度的成形体，要提高密度需要烧结、浸渗等后处理工序，这就增加了制模时间和成本，同时因热变形易造成翘曲。目前该方法的制模精度大为改善，收缩率已由原来的1%降至0.2%以下。
4.总结
在我国已经在很多城市建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国RP 技术的发展走上了专业化、市场化的轨道。在知识产权壁垒森严的今天，核心技术一旦落后将极大增加赶超世界先进水平的难度。因此在开展快速成形技术研究，赶超该领域世界先进水平的同时，开发具有原创性的短流程高精度快速制模的新材料和新工艺，形成具有我国自主知识产权的RP核心技术尤为重要。开发短流程、高精度、低成本的大中型耐久金属模具的制造新工艺和材料是增强间接制模竞争力的关键；低成本的层积和表面光整技术的集成是提高直接法的尺寸及表面精度、材料适应性、实用性的有效方法。
【参考文献】
[1]Zhang Renji.Xu Da；Yan Yongnian Forming boundary model for rapid prototyping Manufacturing.1998.
[2]模具制造手册.编写组模具制造手册，1996.
[3]Xu Da.Liu Yuan；Zhang Renji Study on unbaked ceramic mold casting processes based on rapid prototyping technology 1998
[4]王峰.基于并行控制原理与技术的大型快速成形系统的研究与实现[学位论文].1999.
【关键词】快速成形；金属模具；应用
目前，我国金属工业正处在迅猛发展的时期，大学金属模具的快速、低成本制造时决定金属制造业取得竞争成功的关键因素之一。快速成形技术（Rapid Prototyping）是20世纪80年代发展起来的一种集计算机辅助设计、精密机械、数控、激光技术和材料科学为一体的全新制造技术。由于其高度柔性和快速性，得到了广泛的研究和应用。以快速成形为技术支撑的快速金属模具制造作为缩短产品开发时间及模具制作周期的先进制造技术已成为当前的重要研究课题和制造业核心技术之一。
1.RP技术
快速成形技术又称快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM）技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有四种基本类型：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法。
快速成形技术具有以下特点：（1）制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；（2）原型的复制性、互换性高；（3）制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；（4）加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；（5）高度技术集成，可实现了设计制造一体化。
2.RP技术在金属模具制造中的应用
基于RP 技术的金属模具制造技术的实质是用先进的精密热加工代替冷加工，大型快速原型制造系统本身也是一种复杂的NC加工设备， 它的出现大大改变了模具制造的现状。该技术将NC加工技术从冷加工转移到热加工，以获得精密的“毛坯”即模具。先进制造技术发展的事实证明精密热加工使得“毛坯”精化，甚至制造出精密的零件，从而减少了对冷加工的技术要求，提高了生产效率，降低了成本。
RP技术是先进制造技术的重要组成部分，是综合了计算机、数控、激光、新材料和CAD CAM等新技术而形成的一种基于离散堆积成形原理的直接从CAD三维模型设计到实际原型？觟零件加工的全新制造方法，是当代制造领域的前沿技术。RP技术的基本原理是离散？觟堆积成形原理，三维形体在离散过程中被沿1至3个方向分解，生成形体的各个截面、截线和截点，称之为离散面、离散线和离散点，将这些离散体（面、线和点） 转换成实体，并将它们依照原先的顺序堆积还原成三维形体的实体形状。RP技术的特点是通过离散获得材料堆积的路径、顺序和方式，在数控系统控制下将材料逐层“迭加”起来形成三维实体，实现数字化成形， 三维CAD电子模型被沿Z向离散，生成一系列二维层面数据，再将分层后的数据进行处理，加入加工参数，生成数控代码，数控系统以平面加工方式顺序加工出每个层片并使它们堆积、粘接成形，构成三维物理实体。
3.具体方法研究
基于RP的快速金属模具制造技术分为间接方法和直接方法。金属模具间接快速制造目前主要有铸造、粉末烧结、电铸、熔射等方法。国内外在此方面已有许多研究及应用事例。直接快速制造金属模具方法在缩短制模周期、发挥材料性能、降低成本方面极具潜力，因而受到高度关注，其目标是直接快速制造耐久、尺寸及表面精度高、可用于工业化批量生产的金属模具，如SLS等方法。
3.1铸造制模法
铸造法最早实现与RP技术相结合，其中有代表性的是美国3D Systems公司的Quick Casting工艺，特点是采用SLA原型代替蜡模实现精密铸造。类似的还有采用FDM制造蜡模等。从理论上讲铸造法可以制造注塑模、冲压模、锻造模、压铸模等，但在大尺寸模具和简单形状模具制造方面不优于传统方法，且因铸造法本身的表面和尺寸精度不高，仍难以制造注塑模和压铸模等表面和尺寸精度要求高的金属模具。
3.2粉末烧结法
3D Systems公司的Keltool工艺是在原型或硅胶模内注入金属粉末与结合剂的混合物，待其固化后脱模，经烧结、浸渗树脂或铜、锡等工序后获得模具。其优点类似粉末冶金法，使用材料限制少。不足之处是复制、烧结、浸渗等工序多，致使制模时间和成本的增加。采取添加微细球状粉末等措施，已使尺寸精度控制在0.3%以下。
东京大学中川威雄研究室开发的粉末注入Power Casting方法与前者的区别是，先将粉末注入硅胶模内，然后注入结合剂。经加压、烧结、渗铜等工序后得到不锈钢模具。该方法精度高于前者，但工艺繁杂，不适于制造大尺寸模具。
3.3 SLS方法
SLS的工艺大致是，用激光对基底上所铺的薄层粉末有选择地烧结，然后将新一层粉末铺在其上，进行下一层烧结。反复进行逐层烧结和层间烧结，最终将未被烧结的支撑部分去除就得到与CAD形体相对应的三维实体。由于得到的只是低密度的成形体，要提高密度需要烧结、浸渗等后处理工序，这就增加了制模时间和成本，同时因热变形易造成翘曲。目前该方法的制模精度大为改善，收缩率已由原来的1%降至0.2%以下。
4.总结
在我国已经在很多城市建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国RP 技术的发展走上了专业化、市场化的轨道。在知识产权壁垒森严的今天，核心技术一旦落后将极大增加赶超世界先进水平的难度。因此在开展快速成形技术研究，赶超该领域世界先进水平的同时，开发具有原创性的短流程高精度快速制模的新材料和新工艺，形成具有我国自主知识产权的RP核心技术尤为重要。开发短流程、高精度、低成本的大中型耐久金属模具的制造新工艺和材料是增强间接制模竞争力的关键；低成本的层积和表面光整技术的集成是提高直接法的尺寸及表面精度、材料适应性、实用性的有效方法。
【参考文献】
[1]Zhang Renji.Xu Da；Yan Yongnian Forming boundary model for rapid prototyping Manufacturing.1998.
[2]模具制造手册.编写组模具制造手册，1996.
[3]Xu Da.Liu Yuan；Zhang Renji Study on unbaked ceramic mold casting processes based on rapid prototyping technology 1998
[4]王峰.基于并行控制原理与技术的大型快速成形系统的研究与实现[学位论文].1999.