2022年快速模具制造技术现状附其发展趋势 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 快速模具制造技术的现状及其进展趋势快速成形与制造 RPM：Rapid Prototvfolng & Manufacturing是融激光、材料科学、信息与掌握技术等为一体的分层层积技术,堪称是 20 世纪后半期制造技术最重大的进展之一；RPM技术产生 10余年来已在汽车、家电、航空、医疗等行业中得到广泛应用；国外大型企业如通用、福特、法拉利、丰田、麦道、 IBM、AT&T、Motorla 等以及我国的一些 闻名企业,都积极在产品设计过程中采纳这项技术,进行产品的有关设计检验、外观讦审、装配试验、动 态分析、光弹应力分析、风洞试验等,胜利地实现了

2、面对市场的产品造型设计灵敏化；而随之兴起的快速制模特别是快速制造金属模具RMT：Rapid Metal Tooling 就是由新产品设计快速形成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场的必由途径,是 RPM技术 进一步进展并取得更大经济效益所面临的关键课题,成为当前 RPM技术讨论的国际前沿；值此世纪之交,该技术被美国汽车工程杂志讦为全球 之首,受到全球制造业的广泛关注；1 快速制模技术的进展简况15 项重大技术名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 随着多品种小批量时代的逐步来临和企业要求模具能 保证新产品快速占据市场,

3、开发快速经济模具越来越 引起人们的重视,例如用环氧聚脂或其中混入金属、陶瓷、玻璃等增强材料制作的快速软模,可用于上百 件注塑成形以及汽车掩盖件试制；其主要特点是制造 工艺简洁、生产周期短、价格廉价；但由于材料的导 热性和 机械性能不高,这种模具难以用于快频率的批 量注塑成形以及金属拉延件批量成形；水泥、陶瓷制 作的汽车掩盖件模具仍有待进一步改善；相比之下,由于金属材料具有优良的综合性能,金属模具低成本 快速制造成为 RPN技术的努力目标；世界先进工业化 国家的 RPM技术在经受了模型与零件试制、快速软模 制造阶段后,目前正向快速硬模即金属模具制造 RMT 方向进展, RMT已成为国际 RPN技

4、术应用讨论开发的 热点；业已提出的众多 RNT方法可分为由 cAD数据及 RP系 统制作的快速原型或其他实物模型复制金属模具的间 接法和依据 CAD数据直接由 RP系统制造金属模具的 直接法两大类；下图表示主要的金属模具快速制造方 法的基本工艺路线；直接法虽然受到关注,但由于尺寸范畴及精度、表面质量、综合机械性能等方面存在名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 问题,离有用化尚有相当差距,目前最成熟的 RNT法是间接法；2.1 间接制模法在直接制模法尚不成熟的情形下,目前具有竞争力的 RMT技术主要是粉末烧结、电铸、铸造

5、和熔射等间接制模法；国内外这方面的讨论特别活跃,有很多金属模具间接快速制造技术的讨论及应用事例；如3D systems 公司的基于 SLA原型的粉末成形烧结 +浸渗快速复制 Keltool工艺、 CEMCOM 公司的镀镍 +陶瓷复合 NCC,Nickel-Ceramic Composite 工艺、Idaho National Engineering and EnvironmentalLab的快速凝固工艺 RSP,Paoid Solidification Process 和 Soligen TechInc 公司的基于 DSCP金属薄壳成形系统的铸造工艺、 Badger Pattern公司的锌合金

6、喷涂 +树脂 金属复合材料补强工艺和东京高校的RHSTRaopid Hard Soray Tooling 司的熔射快速制造金属模具法等；以及日产汽车公名师归纳总结 Keltool方法的工艺路线是：由SLA方法生成快速原第 3 页,共 12 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 型十硅橡胶翻模得到模具的负型- 填充金属粉末及粘结剂十放入高温炉膛内进行烧结、渗铜- 得到最终模 具；模具型腔经过热处理后表面硬度可以达到 4850HRC；用 A6工具钢制造的模具能够生产数千件 产品,但此法制模过程时间长,且工艺复杂；NCC方法第一在 SLA方法生成的快速原型上镀

7、上一层 厚约 15mm的镍,然后在镍质镀层上用化学反应凝 固陶瓷材料 CBC,Chermicallv Bonded Ceramic 作 背衬补强,将原型分别后得到最终模具；这一方法具 有与 SLA工艺同等的精度,可用于注塑模制造,但要 解决电镀工序时间长和需处理废液污染等问题；RSP方法是用高速隋性气体将熔化的金属液体雾化,喷射在石蜡、塑料或陶瓷原型 通过 SLA、SLS或 LOM方法制造 上,生成一薄层金属,补强背衬并除去原 型后得到模具；此法可制作注塑模具和冲压模具,但是为了提高制件的表面质量和 处理,增加了制模时间；机械性能需要进行时效Badaer Pattern 公司、东京高校和日产汽

8、车公司熔射制模法的基本工艺都是在原型表面形成熔射层,然名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 后对熔射层进行补强并将熔射原型去除得到金属模具；但 Bad,erPattern公司只能熔射低熔点锌合金,并采纳树脂 金属复合材料对熔射层补强,致使模具 的耐磨性和热传导性差,只能用于数百件注塑成形；东京高校开发的 RHST方法就是以不锈钢或碳化钨合 金等高融点材料为熔射材料,并以金属材料对熔射层 背衬补强,从而极大地改善了熔射模具的耐久性,使 其能用于表面光滑或带自然精细皮革纹饰塑料产品的 大批量注塑成型以及金属薄板成形；日产汽

9、车公司的 熔射制模法也采纳不锈钢作为熔射材料,并采纳树 脂 金属复合材料补强,已用于数万至二十多万件的轿车掩盖件成形,但与RHST法相比,该法不能用于表面带自然精细皮革纹饰耐久注塑模具的制造,使用 范畴受到限制；在我国,关于金属模具间接快速制造技术的讨论受到 高度重视,清华高校、华中理工高校在铸造模方面取 得了很多讨论成果；上海交大用精密铸造法快速翻制 出汽车轮胎等金属模具；西安交通高校采纳树脂原型、研磨石墨电极、电火花加工出 日质模具；殷华公司及烟台 机械工艺讨论所与烟台泰利汽车快速模具 公司合作采纳电弧熔射锌合金制作出快速经济注塑模名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 1

10、2 页精选学习资料 - - - - - - - - - 具；上述各种间接法都具有快速经济的特点；但相比之 下,铸造法和粉末烧结法尺寸变化大,制模精度不 高；电铸复制精度虽高,但制模时间长、受电铸材料 种类限制且需处理废液污染；熔射法具有模具材料种 类和制模尺寸规格限制小、复制精度高等优点；东京 高校和日产公司开发的高融点材料熔射制模法极大地 改善了模具的耐久性,因此在汽车、摩托车、家电和 建筑装饰等行业的模具特别是目前市场急需的汽车内 外饰件和掩盖件模具有宽阔的应用前景；与直接法相 Lk,间接法目前虽在有用化方面占有优势,但由于中 间工序较多且受材料性质和制造环境温度的影响,导 致精度掌握难度

11、大；因此,开发尺寸稳固性好的制模 材料及少工序间接制模法、实现工作环境的安定化是 提高精度的关键,同时必需加快开发短流程直接制造 金属模具的方法；2.2 直接制模法直接法特别是直接快速制造金属模具DRMT：Direct 名师归纳总结 Raoid Metal Tooling方法在缩短制造周期、节能省第 6 页,共 12 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 资源、发挥材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潜力,从而受到高度关注；目前的DRMT技术研究和应用的关键在于如何提高模具的表面精度和制造 效率以及保证其综合性能质量,从而直接快速制造耐 久、高精度和

12、表面质量能满意工业化批量生产条件的金属模具；目前已显现的 为热源的挑选性激光烧结法DRMT方法主要有：以激光 SLS Se lective Laser Sintering 和激光生成法 LG Laser Generating ；以等离子电弧等为热源的熔积法PDM：Plasma Detmsition Method,或 PPW：Plasma Powder Welding ；喷射成形的三维打印法 3DP：ThreeDimensional Printing；SLS挑选性激光粉末烧结法的工艺大致为：先在基底 上铺上一层粉末,用压辊压实后,依据由 CAD数据得 到的层面信息,用激光对薄层粉末有挑选地烧结；

13、然 后将新的一层粉末通过铺粉装置铺在上面,进行新一 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； LohnerA等采纳 Texas 高校的 SLS工艺,用 NiCu粉末直接制造的模具,密度为理论值的 80,强度为 100200MPa,精度为 0.1mm,平均粗名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 糙度 Ra为 1015um,可用于数百件注塑成形；目前较为成熟的有两种 SLS工艺：一种是美国 DTM公司的采纳聚合物包覆金属粉末的 Ravid Tool 工艺；一种是德

14、国 EOS公司的在基体金属中混入低熔点金属的Direct Tool工艺； Ravid Tool工艺采纳激光烧结包覆有粘结剂的钢粉,由运算机掌握激光束的扫描路径,加热融解后的粘结剂将金属粉末粘结在一起 非冶金结合 ,生成约有 45孔隙率的零件,干燥脱湿后,放入高温炉膛内进行烧结、渗铜,生成表面密实的零件,此时零件中的材料成分为65的钢和 35的铜；经过打磨等后处理工序,得到最终的模具；Direct Tool 通过烧结过程使低熔点金属向基体金属 粉末中渗透来增大粉末间隙,产生尺寸膨胀来抵消烧 结收缩,使最终的收缩率几乎为零；此外也有尝试制造为碳化物、钻混合的模具；由于SLS直接成形体相对密度低,要

15、得到较高密度必需通过烧结、浸渗等后 处理,这就增加了制模时间和成本,因此不能称之为 完全的 DRMT,同时由于未熔颗料的粘结,表面质量 难以提高；LG中有代表性的 Sandia National Lab的 LMFLaser Metal Formina 工艺是在激光熔敷基础上开发的直接名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 制模工艺,该工艺采纳高功率激光器在基底或前一层 金属上生成出一个移动的金属熔池,然后用喷枪将金 属粉末喷入其中,使其熔化并与前一层金属实现紧密 的冶金结合；在制造过程中,激光器不动,运算机控 制基底的运

16、动,直到生成最终的零件外形；制件密度 为理论密度的 90,强度接近于铸件, 机械 性能较 好,而且仍可调整送粉组分实现组织结构优化；但由 于残余热应力的影响和缺乏支撑材料,精度难以保 证,只适用于简洁几何外形的模具,而且与 SLS过程类似,由于未熔颗粒的粘结,Ra只达到 12 m；3DP工艺类似喷墨打印机,铺粉装置将一层粉末铺在 基底或前一层粉末上面,通过喷头在粉末上喷射固化 结合剂,层层积累形成三维实体,经过烧结、浸渗,得到最终的模具； Michaelss 等采纳 MIT的 3DP技术直接制造的模具密度相当于理论密度的 低于铸件,而且精度和表面粗糙度差；60,强度等离子熔积法 PDM具有使用

17、材料范畴广、能获得满 密度金属零件的特点；起源于前德国 Kruoo 和 Thvssen 公司的埋弧焊接,能够实现大型或特大型容 器的成形焊,其 机械性能、组织优于铸锻组织,通过名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 适当挑选工艺参数可以削减残余应力和裂纹发生,提高堆焊高度；此外,薄钢板的LOM技术也可制造金属模具,但叠层间需焊接等紧固处理,且材料利用率 低,薄板热变形也影响成形精度和粗糙度；然而,上述方法都是基于积累成形的原理,不行防止 要产生侧表面阶梯效应,致使精度低、表面质量差,且存在综合力学性能不高等方面的问题,目

18、前尚多用于金属零件的制造；值得留意的是,Stanford 高校的 AmonC.H等人最近开发出外形沉积制造 SDM工 艺,并研制出与 CNC加工集成的装置；其工艺特点是 利用焊接原理熔化焊材 丝状 ,并借助热喷涂原理使 超高温熔滴逐层沉积成形,实现层间冶金结合；但因焊接弧柱的不稳固、以及可控参数的和谐性等问题,很简洁显现翘曲和剥离；采纳CNC对外轮廊和表面精整,在解决 RPM技术中共有的、因逐层积累产生的侧 表面阶梯效应造成的精度和表面质量问题方面做了有 益的尝试,但这种工艺目前尚局限于简洁外形金属零 件制造；下表给出了几种快速制模方法的有关性能参数；从表 中可以看出,间接制模法生产的模具表面

19、质量和尺寸名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 精度都较直接法高,制作大型模具时,间接法较直接法具有更大的优势,但现有RPMT技术尚不能直接快速制造能满意工业化批量生产要求的高精度、高性 能、高表面质量的复杂外形金属模具；因此,要解决 直接快速制造复杂外形金属模具的精度、表面质量和 综合力学性能的问题,有必要探究新的直接快速精细 制模方法；3 展望鉴于模具技术在制造业中所处的关键位置,快速 制模特别是快速制造金属模具技术的开发讨论受到高 度关注,概括该技术面临的关键问题和进展趋势有以 下几个特点：1 快速软模及陶瓷等

20、模具的使用范畴受到限制,压 铸、注塑、冲压等主导模具的金属模具快速制造是 RPN技术努力的目标；2 以快速原型等各种原型和铸造、熔射等技术相结 合的间接法与直接法相比有用化方面占优势,但因工名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 序增加和受材料性质及制造环境的影响,致使精度控 制难度大；开发尺寸稳性好的制模材料、削减制模工 序、实现工作环境的安定化是提高间接法制模精度的 关键；3 基于积累成形原理的直接制模法在表面及尺寸精 度、综合 机械性能等方面尚难以满意高精度、高表面 质量的耐久模具制造要求,且成本高、尺寸规格受限 制；以低成本且适于精细加工及多种材料成形的积累 和去除成形技术集成,将是提高直接制模法的有用 性、材料适应性和表面精度的有效方法；4 快速制模法适合我国国情,具有宽阔的应用前 景；与高速铣削加工相比,在表面带精细复杂外形和 电火花加工难以省去的金属模具制造方面占有优势；要进一步提高快速制模技术的竞争力,必需开发加工 数据生成较数控加工数据生成更简洁,并能获得所需 的尺寸及表面精度材料挑选范畴广的直接快速制模新 方法；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 12 页