快速成形与快速模具技术概述

引言：在现代先进制造技术中，有一项称为Rapid Prototyping & Manufacturing(快速成形与快速制造，简称RP&M)的支柱技术，应用这种技术能快速制作工件，并使其材质特性接近或几乎与期望的产品特性相符。其中, Rapid Prototyping (快速成形，简称RP)指的是一种新工艺，它能根据工件的CAD三维模型， 快速制作工件的实体原型，而无需任何附加的传统模具或机械加工; Rapid Manufacturing(快速制造，简称 RM) 主要指的是Rapid Tooling (快速模具制造，简称RT)，即用快速成形件作为母模来快速制作模具，RT是不同于传统机加工模具的一种新方法、新工艺，而不是过去的简易模。

1 快速成形技术的核心――添加成形法

在快速成形技术中，采用了全新的添加成形法，与传统的去除成形法有本质的区别。

传统的车、铣、刨、钻、磨等加工方法都属于去除成形，现代的电火花成形与激光切割也属去除成形。去除成形是运用分离的方法，从较大的毛坯上切除部分材料而成形工件的方法（见图1）。去除成形的工件精度高，表面品质好，是制造业最常用的成形方式，但是，它采用的毛坯通常必须由铸造或锻造而成，并且往往还需要模具，因此，加工周期较长，材料利用率较低，成本较高，此外，还受刀具或模具的限制，甚至无法成形一些形状复杂的工件。

添加成形是指利用各种机械的、物理的或化学的方法，通过有序地添加材料来成形工件方法。它依据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓（见图2b）。按照这些轮廓，一层层选择性地堆积材料，制成一片片的截面层(见图2c)，并将这些截面层逐步顺序叠加，构成工件的三维实体（见图2d）。这种成形法将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，不必采用传统的加工机床和工模具，就能直接成形形状复杂的工件或模具。这种成形方法的材料利用率高，制造周期较短，成本低（一般只需传统加工方法的10%～30%的工时和20%～35%的成本），但是，工件的精度与表面品质目前还不如去除成形好。

2 快速成形的全过程

快速成形的全过程可以归纳为前处理、自由成形和后处理三个步骤（见图3）。

其中，前处理包括工件的三维计算机模型文件的建立、三维模型文件的近似处理和切片。建立计算机三维模型有以下三种方法：（1）在计算机上，用三维CAD软件，如UG、Pro Engineer和SolidWorks等，根据工件的要求设计三维模型，或将已有工件的二维三视图转换成三维模型。（2）通过逆向工程建立三维模型，即：用光学扫描机对已有工件进行扫描，通过数据重建软件（如Geomagic Studio、ReSoft等）和三维CAD软件，得到工件的三维模型。（3）根据人体器官的医学CT/MRI扫描数据，用图像转换软件生成器官的三维模型。

建立三维CAD模型文件之后，还需要对模型进行近似处理，修复近似处理可能产生的缺陷，再对模型进行切片处理，才能获得快速成形机所能接受的模型文件。在目前的快速成形机上，最常见的近似处理方法是STL格式化处理，即用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面（见图4）。三角形的大小是可以选择的，从而能得到不同的曲面近似精度。经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文件，它由一系列相连的空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但是，有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部的修改。快速成形是按一层层截面轮廓来制作工件的，因此，成形前必须在三维模型上，用切片软件，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔（即切片层高）进行切片处理，以便提取截面的轮廓。间隔的大小根据被成形件精度和生产效率的要求选定。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。间隔的范围为0.05～0.5mm，常用0.1mm左右，在此取值下，能得到相当光滑的成形曲面。

自由成形是快速成形工艺的核心，它是在快速成形机上，根据输入的工件STL格式图形文件和分层切片的结果，用添加成形工艺，按照分层制片——叠加成体的顺序逐层成形，直到获得三维工件。

后处理是成形后必须进行的修整工作，包括支撑结构与工件的分离、工件的后固化、后烧结、打磨、抛光、修补和表面强化处理等。

3 快速模具制造的基本方法――由快速成形母模复制模具的型腔/型芯

制造业的生产离不开模具，尤其是铸造、锻压、注塑等工艺所需的模具。试制原型件常常需要模具，产品的生产更需要模具。然而，模具的设计、制作时间与成本，又往往是整个产品开发时间与成本的主要部分，既费时又费钱。因此，模具的设计与生产是制约新产品开发与生产的瓶颈，要缩短新产品的设计与生产周期、降低成本，必须首先缩短模具的设计与生产周期，降低模具的成本，使模具更结实、耐用。传统模具有以下特点：（1）模具的原材料为金属或木、砂；（2）模具加工的方法为传统机械加工（车、铣、刨、钻、磨与电火花加工等）；（3）模具的结构较复杂，除了模具的核心——成型零部件之外，一般还有模架和一些附加装置，设计、制造与使用都较麻烦；（4）模具上常常有一些复杂的特征与自由曲面，精度与表面光洁程度要求比较高，所以设计与制造周期较长，成本较高；（5）柔性较差，一旦设计有所改变，原有模具难于修改，不得不重新制作。

为克服传统模具的缺点，在快速成形技术的基础上出现了快速模具，它是用快速成形件（或现有的工件）做母模而复制出的一种模具，按照它所能成形的工件数量（即使用寿命），目前已推广使用的商品化快速模具可分为：硅橡胶模、快速批量生产模，以及介于两者之间的快速过渡模。

3.1 硅橡胶模 

硅橡胶模是一种软模，它是利用快速成形的母模，在室温下浇注硅橡胶而构成的模具，其中最常见的有（见图5）：（1）室温硫化硅橡胶（RTV）模，这种模具可用于浇注反应塑料件，使用寿命为10～20件左右；（2）高温硫化硅橡胶（HCV）模，其使用寿命可达200件。

3.2 快速过渡模（见图6）

过渡模( bridge tooling ) 能在试制用硅橡胶模与批量生产模之间起过渡作用，使用寿命可达几百件，其中最常见的是铝填充环氧树脂(Composite Aluminum-Filled Epoxy, 简称CAFÉ)模，它是利用快速成形的母模，在室温下浇注铝填充的环氧树脂而构成的模具。

3.3 快速批量生产模（见图7）

快速批量生产模能用于大批量生产，其中，最有代表性的是具有共形冷却道的镍壳－铜层－背衬模，即ExpressTool模，它先在母模表面电铸镍壳，然后设置共形冷却道，再电镀铜层，并浇注背衬而构成。这种模具的导热性比传统钢质注射成形模更好，可用于大批量生产塑料件。