快速成型技术在模具中的应用

基于快速成型技术的快速模具制造方法一般分为直接法和间接法两大类。直接制模法是直接采用RP技术制作模具，在RP技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法。用这种方法制造的钢铜合金注射模，寿命可达5万件以上。但此法在烧结过程中材料发生较大收缩且不易控制，故难以快速得到高精度的模具。由于快速成型技术受所使用材料的限制，并不能够完全替代最终的产品，在新产品功能检验、投放市场试运行以获得用户使用后的反馈信息，以及小批量生产等方面，仍需要由实际材料制造的产品，因此，基于快速成型技术的快速制造模具的方法多为间接制模法。即利用快速成型技术作母模来翻制模具并生产实际材料的产品。间接制模法是指利用RP原形间接地翻制模具。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具（SoltTooling）和硬质模具（Hard Tooling）两大类。

软质模具因其所使用的软质材料（如硅橡胶、环氧树脂等）有别于传统的钢质材料而得名，由于其制造成本低和制作周期短，因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行，以及国防、航空等领域单件、小批量产品的生产方面受到高度重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。目前，软质模具制造方法主要有硅橡胶浇注法、金属喷涂法、树脂浇注法等。

软质模具生产制品的数量一般为50～5000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具。硬质模具指的就是钢质模具，利用快速成形技术制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。

利用快速成型技术制作模具具有周期短、成本低等优点，与传统机加工法制作模具的比较见表9-1。

表9-1 快速成型技术制作模具与传统机加工法制作模具的比较

1.直接制造模具

利用快速成型技术可以直接制造金属模具、木模、树脂模及铸造用模。

（1）利用SLS工艺制造金属模

1）金属粉末大功率激光烧结成型技术。利用高功率激光（1000W以上）对金属粉末进行扫描烧结，逐层叠加成型，成形件经表面后处理（打磨、精加工）即完成模具制作，制作的模具可作为压铸模、锻模使用。该方法与激光熔敷的工艺原理是一致的。也可以利用这种方法制作了高温合金零件；或利用大功率激光逐层烧结熔化金属粉末，利用等离子逐层对实体进行轮廓整形，以得到表面精度较高的金属零件或模具。

2）混合金属粉末激光烧结成型技术。成型粉末为两种金属粉末的混合体，其中的一种熔点较低，起黏结剂的作用。利用低功率激光快速成型机对混合粉末进行激光烧结即可直接制作金属模具，用于批量较大的塑料零件和蜡模的生产。

3）金属—树脂粉末激光烧结成型法。

①金属暂时模制作。利用金属—树脂混合粉末，经激光烧结成形制作中空金属模具，然后灌注金属树脂，以强化内部结构，使之可以承受注射成形的压力、温度条件要求，最后得到金属暂时模。

②金属永久模制作。在钢粉表面包裹聚酯的快速原型烧结材料，其金属粉末为不锈钢，经SLS工艺快速烧结成型后，直接成形的金属模具往往是低密度的多孔状结构，可将低熔点的金属（青铜）渗入后直接形成金属永久模。

（2）利用LOM工艺制造金属模

利用LOM工艺，采用金属箔作为成型材料，可以直接制造出铸造用模具，批量生产金属铸件。

（3）利用LOM工艺制造木模

采用特殊的纸质，利用LOM工艺可直接从模具的三维CAD模型制成纸质模具，坚如硬木，并可耐200℃的高温，经过表面打磨处理后可用作低熔点合金的模具或样件试制用的注塑模，以及精密铸造用的蜡模成形模，还可代替砂型铸造用的木模。其特点是后续打磨处理耗时费力，导致模具制造周期增加，成本提高。

（4）利用SLA工艺制造树脂模

利用SLA工艺制造的树脂件强韧性较好，可作为小批量塑料零件的制造模具。这项技术已在实际生产中得到应用。采用特殊的高温下工作的光固化树脂，用SLA工艺直接成型模具，用于注塑成型工艺，其寿命可达22件。

（5）利用SLS工艺制造树脂模

利用SLS工艺，使用要求的材料制造的树脂模，可以作为吸塑模和型腔模使用，也可用于实际的注射成型。也可制造出中空模具，以金属树脂灌注之，以强化内部结构，并且在模具表面渗上一层树脂进行表面结构强化，即可承受注射成型的压力、温度（7.8MPa、176℃），从模具烧结成型至注射塑料产品只需花费5～6天的时间。

（6）直接制造铸造用模

1）直接成型熔模铸造用蜡模或树脂消失模。利用FDM和SLS成型机，分别采用蜡丝或蜡粉，可以直接制造出合格的精铸用蜡模；利用SLA、LOM、FDM、SLS等工艺方法均可制造出消失性树脂模，再用传统的精铸工艺，进行涂壳、脱蜡、焙烧等，得到铸造型壳，用于精铸件的生产。对于树脂消失模，采用高温燃烧法，迅速将树脂分解脱去。

采用快速成型技术，可以对收缩造成的尺寸误差进行校正，如果铸件成品的尺寸超差，可以立即对CAD模型进行修改，再做出第二件树脂模。这种方法尤其适用于形状复杂的单件或小批量的铸件生产，如飞机发动机叶片、叶轮等特殊件。

2）直接成型砂型铸造用木模。利用SLA、LOM、FDM、SLS等工艺方法成形的树脂原型可以代替木模，不仅大大缩短了制模时间，而且快速成型的原形水平远比木模要高，强度和尺寸稳定性也优于木模。特别是对于难以加工、需要多种组合的木模，用快速成型制造木模的优点就更为突出。

2.间接制造模具

当零件批量较小（几十到几千件），或者是用于产品的试生产时，则可以用非钢铁材料制造成本相对较低的简易模具。此类模具一般先用快速成型技术制作零件原型，然后根据该原型翻制成硅橡胶模、金属树脂模和石膏模；或对快速成型技术制作的原型进行表面处理，用金属喷镀法或物理蒸发沉积法镀上一层低熔点合金或镍来制作模具。

（1）硅橡胶模具

随着机械制造业的迅速发展，对模具的需求越来越大，复杂模具制造的费用不但高，而且周期长，硅橡胶模具的产生完全解决了这一难题。硅橡胶模具制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、无脱模斜度甚至具有倒脱模斜度，以及具有深凹槽类的零件，制作周期短，制件质量高，因而在单件、小批量样件快速制作中备受关注。

1）硅橡胶模具材料及特点。

目前，模具硅橡胶材料已在国内外许多行业获得了广泛应用，硅橡胶具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率。硅橡胶模具能经受重复使用和操作，能保持制件原型和批量生产产品的精密公差，并能直接制作出形状复杂的零件，免去铣削和打磨加工等工序，而且脱模十分容易，大大缩短产品的试制周期，同时模具修改也很方便。此外，由于硅橡胶模具具有很好的弹性，对凸凹部分浇注成型后也可直接取出，这是它的独特之处。硅橡胶的这些优点使它成为制模材料的佼佼者，一部分已进入机械制造领域并与金属模具相竞争。目前用硅橡胶制造的弹性模具已用于代替金属模具生产蜡模、石膏模、陶瓷模、塑料件，乃至低熔点合金如铅、锌以及铝合金零件，并在轻工、塑料、食品和仿古青铜器等行业的应用不断扩大，对产品的更新换代起到不可估量的作用。快速原型技术的产生，为硅橡胶模具广泛应用于机械产品的高精度快速制作提供了强有力的支持。

制模用硅橡胶为双组分液体硅橡胶，分为缩合型和加成型两类。(www.xing528.com)

缩合型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为羟基的聚硅氧烷（生胶）、填料、交联剂和硫化促进剂。缩合型模具硅橡胶的抗剪强度较低，在模具制造过程中易被撕破，因此很难适用于那些花纹深、形状复杂的模具。在用缩合型模具硅橡胶制造厚模具的过程中，由于缩合交联过程中产生的乙醇等低分子物质难于完全排出，致使模具在受热时硅橡胶降解老化，从而显著影响其使用寿命；同时，由于乙醇等低分子物质的排出致使硅橡胶的体积收缩，从而造成模具的尺寸小于相应的原形尺寸。因此，缩合型模具硅橡胶大多用作塑料与人造革生产中的高频压花模具或用于一些尺寸要求不精密的工艺品制造。

加成型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为乙烯基的聚硅氧烷（生胶）、含氢硅油（交联剂）、铂触媒（催化剂）、白炭黑（填料）。一般采用加成硫化体系，加成型模具硅橡胶在硫化时不产生低分子化合物，因而具有极低的线收缩率，胶料可以深部固化，而且物理性能、力学性能和耐热老化性能优异，成为了模具胶中正在大力发展的品种。加成型模具硅橡胶适用于制造精密模具和铸造模具，而且模具制造工艺简单，不损伤原型，仿真性好。

2）硅橡胶模具制造工艺。

由于成型零件的形状、尺寸不同，对硅橡胶模具的强度要求也不一样，因而制作方法也有所不同，主要有简便浇注法和真空浇注法两种。

利用快速成型技术制作硅橡胶模具的工艺流程如下。

①原型表面处理。利用快速成型技术制作的原型在其叠层断面之间一般存在台阶纹或缝隙，需进行打磨和防渗与强化处理等，以提高原型的表面光滑程度和抗湿性与抗热性等。只有原型表面足够光滑，才能保证制作的硅橡胶模型腔的光洁度，进而确保翻制的产品具有较高的表面质量和便于从硅橡胶模中取出。

②制作型框和固定原形。依据原型的几何尺寸和硅橡胶模使用要求设计浇注型框的形状和尺寸，型框的尺寸应适中。在固定原型之前，需确定分型面和浇口的位置。分型面和浇口位置的确定是十分重要的，它直接影响着浇注产品能否顺利脱模和产品浇注质量的好坏。当分型面和浇道选定并处理完毕后，便将原型固定于型框中。如图9-10a所示。

③硅橡胶计量、混合并真空脱泡。硅橡胶用量应根据所制作的型框尺寸和硅橡胶的密度准确计量。将计量好的硅橡胶添入适当比例的硬化剂，搅拌均匀后进行真空脱泡。脱泡时间应根据达到的真空度来掌握。

④硅橡胶浇注及固化。硅橡胶混合体真空脱泡后浇注到已固定好原型的型框中，如图9-10b所示。硅橡胶浇注后，为确保型腔充填完好，再次进行真空脱泡，如图9-10c所示。脱泡的目的是抽出浇注过程中掺入硅胶中的气体和封闭于原形空腔中的气体，此次脱泡的时间应比浇注前的脱泡时间适当加长。脱泡后，硅胶模可自行硬化或加温硬化，加温硬化可缩短硬化时间。

⑤拆除型框、刀剖开模并取出原型。当硅胶模硬化后，即可将型框拆除并去掉浇道棒等，如图9-10d所示。参照原型分型面的标记进行刀剖开模，如图9-10e所示，将原型取出，并对硅胶模的型腔进行必要清理，便可利用所制作的硅橡胶模具在真空状态下进行树脂或塑料产品的制造，如图9-10f所示。

图9-10 硅橡胶快速模具制作工艺

（2）金属喷涂模具

金属喷涂模具就是利用电弧喷涂制模工艺制造模具，是将两根带电的制模专用金属丝通过导管不断地向前输送，金属丝在喷枪前端相交形成电弧，金属丝经电弧熔化，在压缩空气的作用下，将熔化的金属雾化成金属微粒，并以一定的速度喷射到样模表面，一层一层地相互叠加堆积而形成高密度、高结合强度的金属喷涂层，即模具型腔的壳体（或实体）。这层壳体的内壁形状与样模表面完全吻合，从而形成了所需的模具型腔。喷涂形成的金属壳体与其他基体材料填充加固，结合成一整体，再配以其他部件，即组成一副完整的模具。这种制模方法类似于电铸制模，但又不完全相似。它制模工艺简单，容易掌握，模具制作周期短，费用低，对比制作同一形状尺寸的钢模，制模周期和模具费用均可降低60%以上。电弧喷涂制模是一种典型的快速制模技术，具有制模工艺简单、制作周期短、模具成本低等显著特点，特别适用于小批量、多品种的生产使用。

1）喷涂设备及材料。

①电弧喷涂设备。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。电弧喷涂所用的全套设备如图9-11所示。

②喷涂制模材料。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。选择电弧喷涂材料时，既要考虑所得到的涂层具有足够高的硬度，良好的抗压、抗弯等力学性能，可以在实际中应用；又要兼顾涂层材料的熔点不要太高，因为对于Fe、Cu等高性能、高熔点的材料，喷涂过程中，由于热收缩的作用，金属涂层与模型界面之间存在很大的切应力，一方面使模型发生塑性变形，影响电弧喷涂模具的精度，另一方面削弱金属涂层与模型表面的剪切强度，使金属涂层剥落。因此，电弧喷涂中常采用Al、Zn基丝材作为喷涂材料。Al、Zn基丝材熔点比较低，喷涂时涂层温度不高，因而不会烧损塑料基体，另外，Al、Zn基金属涂层韧性较好，喷涂过程中，由于热收缩产生的内应力，通过蠕变及产生微裂纹释放，以及模型表面回复收缩抵消，收缩应力大部分得以消除，特别是Zn涂层，内应力基本消除。同时，模型的收缩会使涂层微裂纹闭合，从而涂层不易变形、开裂，能够保证模具的尺寸精度，而且Al、Zn基丝材喷涂工艺性好，喷涂成的涂层组织细密，孔隙率低，涂层表面粗糙度低。

图9-11 电弧喷涂设备系统简图

1—电弧喷涂枪 2—送丝机构 3—油水分离器 4—冷却装置 5—空气压缩机 6—电弧喷涂电源

图9-12 电弧喷涂模具结构

1—钢结构 2—背衬层 3—金属喷涂层 4—底板

2）喷涂快速制模工艺。

金属喷涂模具的基本结构可分为三部分，即金属喷涂层、背衬层和钢结构部分，如图9-12所示。金属喷涂层的厚度一般为2～3mm，虽然具有一定的强度、硬度、表面粗糙度和良好的导热性能，并能非常精确地复制原型的形状，但由于其厚度较薄，无法单独承受成形压力，因此不能直接作为模具，还必须进行背衬补强。背衬层由背衬材料直接充填而成，厚度较大，黏附在喷涂层下方，主要起支撑和增加强度的作用。钢结构主要包括模架、模框、镶嵌件等钢质构件。

金属喷涂制模的工序如下。

①模型准备。模型可由许多材料制成，包括木材、塑料、石膏、橡胶等。模型准备中最重要的是涂抹脱模剂。脱模剂在制模中的作用有两个方面作用：一方面，它对喷涂到基体上的金属颗粒有黏结作用，否则金属颗粒将不能牢固地吸附在模具表面而易脱落；另一方面，防止金属涂层对模型的过热烧损、变形、黏附，起到隔热、脱模的作用。将脱模剂均匀地涂在模型表面，并使其干燥成膜。

②在模型上喷涂金属。待脱模剂干燥以后，采用最佳的喷涂参数在模型上喷涂金属叠层，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。模具框架制作应注意两个问题：第一，使模具框架材料与涂层材料，以及填料的热膨胀性能相匹配；第二，框架的外形尺寸及注射口的选择要根据具体的注塑机型号而定。

④浇注模具的填充材料。由于在塑料制品生产中，要求模具有良好的导热、散热能力，因此在选择浇注填充材料时，应使填充材料具有较高的热导率和较低的凝固收缩率，同时因为模具是在一定的温度和压力下工作，所以要求填充材料应具有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。环氧树脂使浇注材料与喷涂壳体、模具框架有很高的结合强度，铝粉可以提高模具的导热性能。有时为提高模具的抗磨损性能还可在填料中加入铁粉。另外在浇注填充材料时可安放冷却管，以加强模具的散热性能。

⑤脱模、加工处理。如果在模型准备阶段做得比较合适，脱模不会很困难。脱模后要把残余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，可以对模具进行抛光等后期制作。