基于3D打印技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具數(shù)字化制造方法

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要裝備，其制造水平直接決定產(chǎn)品的質(zhì) 量、效益和新產(chǎn)品的研發(fā)能力。傳統(tǒng)模具制造的方法很多，如數(shù)控銑削加工、成形磨削、電火花加工、線切割加工、鑄造模具、電解加工、電鑄加工、壓力加工和照相腐蝕等。但是，這些方法在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具時(shí)存在周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題。隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇和市場(chǎng)全球化發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，多品種、小批量成為模具行業(yè)的重要生產(chǎn)方式。這種生產(chǎn)方式要求縮短模具制造周期、降低模具制造成本。增材制造作為一種重要的數(shù)字化制造技術(shù)，可以由三維數(shù)字模型直接成形任意復(fù)雜實(shí)體結(jié)構(gòu)，省去了傳統(tǒng)的材料去除制造方法中使用的刀具、工裝、冷卻液和其他輔助裝置，在產(chǎn)品單件或小批量生產(chǎn)方面具有顯著的成本和效率優(yōu)勢(shì)。因此，AM技術(shù)廣泛應(yīng)用于模具工業(yè)，推動(dòng)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具數(shù)字化制造的技術(shù)進(jìn)步。

基于AM技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具數(shù)字化制造方法及特點(diǎn) 目前，能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的AM技術(shù)主要有：光固化快速成形、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積制造、三維打印成形、分層實(shí)體制造，金屬直接成形。利用AM技術(shù)實(shí)現(xiàn)模具快速制造的方法有兩種：直接制模法和間接制模法。直接制模法是指利用AM技術(shù)直接由模具CAD數(shù)字模型制造模具本身，然后進(jìn)行必要的后處理以獲得模具所必須的力學(xué)性能、幾何尺寸精度和表面質(zhì)量。目前，能夠直接制造模具的AM技術(shù)主要有金屬直接成形、3DP、SLS和LOM。間接制模法是指將AM技術(shù)與傳統(tǒng)模具翻制技術(shù)相結(jié)合來(lái)制造模具。目前，用于間接制模法的AM技術(shù)主要有SLA、FDM、LOM和SLS。基于AM技術(shù)的模具快速制造方法如圖1所示。

基于AM技術(shù)的模具數(shù)字化制造方法的主要特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的快速制造;適用于金屬、陶瓷、樹(shù)脂、硅膠等多種類型材料的模具成形;在基于CAD數(shù)據(jù)直接制造模具的過(guò)程中，無(wú)需夾具、工裝及人員參與，制造過(guò)程高度自動(dòng)化。增材制造技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用狀況

1.SLA與模具快速制造

在模具直接制造方面，Corcione等以氧化硅/ 光敏樹(shù)脂混合漿料為成形材料，采用SLA技術(shù)直接固化漿料來(lái)制造鑄型生坯，經(jīng)干燥和燒結(jié)獲得陶瓷鑄型，并鑄造鋁材零件;Bae等利用SLA技術(shù)固化氧化硅/丙烯酸酯單體的混合漿料，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)葉片的型芯/型殼一體化陶瓷鑄型模具的快速制造。這些制模方法工藝簡(jiǎn)單，但制造的模具收縮過(guò)大、精度不高，同時(shí)由于漿料沉淀導(dǎo)致致密度不均勻。

目前，SLA技術(shù)廣泛應(yīng)用于模具的間接制造過(guò)程中。美國(guó)3D Systems公司推出了Quick Casting工藝來(lái)制造熔模鑄造用陶瓷鑄型，主要工藝過(guò)程為：利用SLA工藝制造樹(shù)脂原型→在原型外涂掛陶瓷漿料→在高溫爐內(nèi)進(jìn)行脫脂和焙燒后得到陶瓷鑄型。3D Systems公司還推出了用于制造金屬模具的Keltool工藝，其工藝過(guò)程為：制造SLA原型→翻制硅膠模具→在硅膠模具內(nèi)填充工具鋼粉末及粘接劑→脫脂和滲銅→模具。Grolman等以SL原型為母模，以環(huán)氧樹(shù)脂為模具材料，翻制飲料瓶成形用吹塑模具。Beal等首先制造SL模具型殼，并在其內(nèi)填充混有鋁顆粒的環(huán)氧樹(shù)脂，實(shí)現(xiàn)金屬粉末注射模具的快速制造。西安交通大學(xué)研究人員首先采用SLA技術(shù)制造某復(fù)雜航空零件熔模鑄造用壓蠟?zāi)＞叩男蜌?，其包含了上下模、活塊1和活塊2的型殼，如圖2(a)所示;然后在型殼內(nèi)澆注金屬樹(shù)脂漿料，經(jīng)固化后制備出包含上下模、活塊1和活塊2的壓蠟?zāi)＞呷?(b)所示;

圖2(c)為壓制的蠟型和熔模鑄造成形的金屬零件。相比SL直接制模方法，SLA間接制模方法在實(shí)用化方面占有優(yōu)勢(shì)，但因增加模具翻制工藝，導(dǎo)致工藝復(fù)雜及模具精度控制難度大。此外，利用原型翻制的環(huán)氧樹(shù)脂等軟材模具，其耐磨和散熱性能較差。

2.3DP與模具快速制造

目前，工業(yè)界主要利用3DP技術(shù)直接制造模具。Dippenaar等以石 膏粉體為成形材料，采用3DP技術(shù)制造真空輔助樹(shù)脂傳遞成形用模具(見(jiàn)圖3)，并利用該模具制備刀片。Junk等以石膏為材料，采用3DP方法制造熱塑成形用模具，以壓制汽車模型車身頂蓋。Budzik采用Zcorp公司的Z510三維打印機(jī)和Zcast 501專用粉體材料，直接制造的砂型模具，用于鑄造轉(zhuǎn)子葉片這些制模方法周期短、 工藝簡(jiǎn)單，但制造的模具精度和表面 粗糙度較差，致密度低、力學(xué)性能差。

3.FDM與模具快速制造

FDM技術(shù)主要應(yīng)用在模具的間接 制造過(guò)程中。Idris和Blake等[17-18]采用FDM方法制作ABS樹(shù)脂原型，并通過(guò)翻模方法制造熔模鑄造用砂型模具。Lee等在采用FDM方法制造ABS樹(shù)脂原型后，通過(guò)兩種翻模工藝將樹(shù)脂原型轉(zhuǎn)換為陶瓷鑄型，即：

①在樹(shù)脂原型外表面掛漿，經(jīng)脫脂和焙燒來(lái)制造陶瓷鑄型;

②首先由樹(shù)脂原型翻制硅橡膠模具，然后制造蠟型，最后由蠟型翻制陶瓷鑄型。FDM間接制模方法的工藝復(fù)雜，同時(shí)制造的原型精度低于SL原型，導(dǎo)致模具精度補(bǔ)償難度增加。

4.LOM與模具快速制造

LOM技術(shù)在模具直接制造及間接制造方面均有應(yīng)用。Tari等采用LOM方法制造樹(shù)脂傳遞成形用模具，工藝過(guò)程為：

①以底層涂覆熱塑性粘合劑的紙材為成形材料，利用CO2激光源切割紙材制造模具的單層截面，通過(guò)熱壓輥熱壓紙材實(shí)現(xiàn)各層截面的粘接，以制備樹(shù)脂傳遞成形用模具;

②在對(duì)模具進(jìn)行表面涂覆和打磨后，得到模具成品。利用該模具， 制造了以乙烯基脂為材料的I型梁。

Wang等選擇美國(guó)Helisys公司的LOM 2030成 形設(shè)備， 以紙材為成形材料，通過(guò)LOM及后處理工藝制造彈道的砂型模具。 Mueller等研究了LOM技術(shù)在砂型 鑄造、 熔模鑄造和陶瓷成形方面的應(yīng)用， 給出了有關(guān)的應(yīng)用案例，如利用LOM原型翻制砂型; 利用LOM原型翻制陶瓷蝸桿注射成形用模具，該模具內(nèi)部為硅膠外部為金屬套;直接制造熔模鑄造中的壓蠟?zāi)＞?。但是，利用LOM技術(shù)制造模具，存在材料利用率和精度低、后處理工藝復(fù)雜等問(wèn)題。

5.SLS與模具快速制造

在模具直接制造方面，美國(guó)DTM公司推出了Rapidtool制模技術(shù)，其主 要工藝過(guò)程為：利用CO2激光器燒結(jié) 外層包裹粘接劑的金屬粉末來(lái)制造模 具半成品→燒結(jié)脫脂→滲銅處理→模具成品。德國(guó)EOS公司推出了Direct Tool制模技術(shù)，該技術(shù)也稱為直接金屬激光燒結(jié)制模技術(shù)， 通過(guò)燒結(jié)不同熔點(diǎn)的金屬粉末混合物來(lái)制造金屬模具。這兩種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于金 屬模具制造， 如Kenny等選用DTM公司的Sinterstation 2000 成形設(shè)備及 RapidSteel1和RapidSteel2成形材料， 采用Rapidtool工藝制造高分子材料成形 模具; Milovanovic等利用DMLS燒結(jié)H20模具鋼 (Cr，Ni，Mo，Si，V和C的復(fù)合粉末材料) ，制造了一段汽車輪胎的胎面模具; Kumar等利用SLS工藝燒結(jié)WC-Co粉末來(lái)直接制造注射模具，并通過(guò)熔滲青銅來(lái)提高模具的致密度和力學(xué)性能。

劉錦輝等利用SLS燒結(jié)環(huán)氧樹(shù)脂與金屬的粉末復(fù)合材料制造具有隨形冷卻水道的注塑模具鑲 塊 (見(jiàn)圖4)，并通過(guò)熔滲青銅來(lái)提高鑲塊的致密度和力學(xué)性能。Harlan等 將聚合物粘接劑噴涂至氧化鋯粉體顆 粒表面， 然后利用SLS技術(shù)燒結(jié)粉體來(lái)制備氧化鋯陶瓷鑄型模具，并進(jìn)行鈦合金零件的鑄造。SLS制模方法工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的模具的快速制造，但為了提高模具的致密度和力學(xué)性能需要進(jìn)行熔滲等后處理，增加了制模時(shí)間。

此外，也可應(yīng)用SLS技術(shù)制造原型后再翻制模具，如劉紅軍等利用SLS燒結(jié)聚苯乙烯粉體來(lái)制造塑料原型，然后在原型外掛漿，經(jīng)脫脂和焙燒后得到陶瓷鑄型模具，以進(jìn)行鋁合金零件的精密鑄造。但是，利用SLS技術(shù)制造的原型精度較低，難以滿足高精度模具制造的要求。

6.金屬直接成形與模具快速制造

金屬直接成形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模具的直接和快速制造。Armillotta等通過(guò)選區(qū)激光熔化(SLM)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)注塑模具型腔鑲塊的制造(見(jiàn)圖5)，其中鑲塊上體由SLM技術(shù)熔化H11熱作鋼粉末制造，鑲塊下體由數(shù)控加工制造。Jeng等[30]選用Fe、Ni和Cr的混合粉體材料，采用金屬激光熔覆(SLC)和研磨結(jié)合的方法來(lái)制造金屬粉末注射成形模具，其中激光熔覆方法用于模具成形，研磨方法用于精確控制各熔覆層的高度和頂面平滑程度。金屬直接成形法可以實(shí)現(xiàn)具有較高致密度和力學(xué)性能的模具的快速制造，但工藝難度大，因此還處于技術(shù)研究階段。 增材制造技術(shù)在模具數(shù)字化制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

(1)與直接制模方法相比，間接制 模方法工藝復(fù)雜，制模周期長(zhǎng)，模具壽命較短。直接制模方法，尤其是綜合性能良好的金屬模具的直接制造，是增材制造技術(shù)在模具行業(yè)的優(yōu)先發(fā)展方向。

(2)增材制造技術(shù)基于分層/疊加原理成形實(shí)體結(jié)構(gòu)，其中直接制模過(guò)程中模具表面因臺(tái)階效應(yīng)而精度較低，間接制模過(guò)程中原型表面的臺(tái)階效應(yīng)會(huì)傳遞至模具，導(dǎo)致模具表面精度的控制難度增加。此外，模具成形及后處理過(guò)程中的各種變形及收縮也會(huì)導(dǎo)致模具精度降低。基于增材制造技術(shù)的模具精度控制將成為一個(gè)重要的研究方向。

(3)目前，增材制造技術(shù)主要用于小型模具快速制造，在大型模具制造方面還存在技術(shù)瓶頸。未來(lái)有必要在大型模具制造方面進(jìn)行深入探索。 結(jié)束語(yǔ) 相比模具傳統(tǒng)制造方法，增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的快速制造，在單件或小批量生產(chǎn)用模具制造過(guò)程中，具有制造成本低、周期短的優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于模具制造業(yè)。未來(lái)，有必要在模具直接制造方法、模具精度和大型模具增材制造等方面進(jìn)行重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)，以進(jìn)一步提升基于增材制造技術(shù)的模具數(shù)字化制造水平。