李林钢 李长河

(青岛理工大学 快速制造国家工程研究中心青岛示范中心 山东青岛 266033)

快速成型技术是伴随着20世纪80年代中期3D Systems公司（Valencia，CA）的 SLA-1发展起来的。目前全球有28家制造商提供了总计超过56个不同的快速成型系统，以满足最终用户的多种需求。与常规制造技术所涉及从原料、铸造及模塑过程的材料去除相反，所有快速成型技术都是层相加的过程。通过把加工固体纸片、液体或粉末原料所形成的零件横截面的切片材料层堆积在一起从而制造出零件。

快速模具制造技术使基于原型创作或模具生产具体化，补充了快速成型技术在大量相似的零件所要求具有的复杂特征，经济地利用材料使其接近或与最终生产材料相同和使用常规的生产工艺时的不足。对使用终端产品材料和工艺所生产的原型必须进行性能检测，这在并行工程环境中都是常见的。因此，快速模具制造技术不仅适应于产品的原型设计，也适应于生产工艺的制定。

1 采用快速成型及快速模具制造技术的新研究

1.1 直接制作熔模铸造模型

快速成型熔模铸造模型的应用源自于这样一个事实，任何可熔化或可燃尽而不毁坏的陶瓷型壳材料的模具都可被应用于熔模铸造。有关快速成型熔模铸造模型应用的报道最早出现在1989年，如今，几乎所有商业化的快速成型工艺（系统）如选择性激光烧结(SLS)、立体光刻（SL）、熔融堆积成形（FDM）、喷墨绘图(MM II)、三维印刷（3D-P）、复印固化成形（SGC）、多喷建模（Actua）和叠层实体制造（LOM）都已应用于生产。随着利益的取得，快速成型及快速模具制造技术正得到制造厂的普遍欢迎，比如，蒙特利尔的Shell cast铸造公司。那里的实体模型铸造(SMC)工艺已发展到能直接把快速成型模型转化成铸件，Cercast小组已在设计快速成型模型中，通过确定关键的临界参数，得到了不同的快速成型模型的优势。Nuclear Metals公司已成功地评估了适于铸造铍铝合金的不同的快速成型技术。

采用FDM和MM II系统所生产的蜡模很容易被铸造厂所接受。非蜡快速成型模型已确定有两个重要优势：首先，薄壁结构将允许采用快速成型模型铸造；其次，相对强硬的非蜡模型允许模型采用精加工来提高表面质量，然后将其转移到铸件表面上。为了抵消铸件在冷却过程中的收缩，快速成型模型可以按一定比例相应地扩大。然而，伴随着非蜡模型，许多有关陶瓷型壳开裂、模型不完全燃烧和残留的灰烬等新问题的出现，快速成型模型中的一些问题已经引起研究人员的重视，研究表明：采用特殊材料以及新的工艺方法可以解决或消除一些难题。

1.1.1 陶瓷型壳的开裂

对于蜡模，常采用高压蒸汽法以消除模型和浇道，余下的蜡痕在焙烧阶段将被汽化掉。对于非蜡快速成型模型，在脱蜡和烧熔过程中由于模型膨胀所引起的应力，会导致陶瓷型壳开裂。针对快速成型和型壳材料之间热膨胀系数不匹配展开了研究，大多数的解决方案是基于立体光刻制造的环氧树脂模型。迄今为止得到的最成功的解决方案是使用Quick Cast制作准空心结构。Quick Cast的概念是基于这样的事实，空心结构在较低的温度下会软化，在达到临界应力之前会向自身内部塌陷。Quick Cast利用大剖面线间距由大量相互连接的正方形或三角形单元的内部框架来支撑起一层薄密的外部型壳，在外表面上设置了许多小孔，允许内部塌陷的树脂在零件铸造后被排出。据报道，早期的 Quick Cast模型在解决型壳开裂问题仅仅部分地获得了成功，型壳开裂问题只是在引入Quick Cast2.0后才被彻底地解决了，它提供了一种在蒸汽中可以瓦解的内部六角蜂窝状架构。

对于采用熔融堆积成形制造的塑料（ABS）模型，这种稀疏的（交叉线）构建方式被用于创建空心结构。熔融沉积成形制造的空心模型，采用1.5 mm的型壳厚度（恒定的壁厚为0.254 mm）相互连接的四方形单元的内部结构。ABS塑料模型基于铸造问题、除灰、工艺参数、耐温性和热力学性质的详细评估已经完成。这些令人满意的结果确定了ABS塑料模型的潜力。然而，为了适应ABS塑料模型，必需对一些熔模铸造工艺进行修改。

对于粉基快速成型技术（如SLS和3D-P），由于材料的塌陷，要制造空心的内部结构是不可能的。不过，为了优化烧熔的零件，脱壳技术可以用于制造模型的外壳，高孔隙率的夹带粉剂阻止了模型的过度膨胀和型壳开裂。适用于SLS的几种建模材料，即蜡和聚碳酸酯已经被引入到熔模铸造中。然而，这些材料建造的模型常常受到畸变、表面粗糙度和型壳开裂等困扰，这是由于聚碳酸酯零件在蒸汽过程中起泡引起的。Cast Form PS（一种聚苯乙烯基粉剂）是由3D Systems公司提供的用于建造熔模铸造模型的一种最新的材料。Cast Form PS模型有类似于蜡的特性并能用最小的修改，适用于标准铸造生产。Cast Form PS所必需的后处理包括在蜡液中浸泡以密封其表面的孔隙和提高模型强度。

LOM纸模型也已被应用于熔模铸造中。已完成的LOM模型需要涂一层密封胶以防止由于吸湿性引起的分层和膨胀。LOM模型具有低热膨胀系数且廉价。

1.1.2 模型质量

许多不同的快速成型模型都很好地落在可接受的误差范围内（±0.05～±0.254 mm），并且大多数都满足熔模铸造所需的表面质量（Ra为16～20 μm）。在熔模铸造中，模具与铸件的表面质量直接相关，未经处理的快速成型模型的相对粗糙的表面是由于分层、建造方法（激光扫描、喷雾等）及原材料造成的台阶效应引起的。表面多孔的模型（SLS、3D-P、FDM）需要应用密封剂（如蜡）来防止在型壳制造过程中悬浮浆的渗透。对大多数快速成型模型，可以用抛光来改善表面质量。ABS模型的表面可以在抛光后用蜡密封或涂一层甲基丙烯酸甲酯（MMA）薄膜来改善，对精磨后MMA模型进行测量得出表面粗糙度Ra在1～2 μm。同样地，涂满环氧基树脂的SLS零件在抛光后所得到的屈服面粗糙度Ra小于1 μm。对于Actua模型可以涂一层光亮的液态石蜡涂层然后抛光屈服，从而提高表面粗糙度，Ra达到0.8 μm。其他快速成型模型的表面（如LOM纸模型）也可以用精细砂纸抛光得到改善。

1.1.3 燃烧性能

非蜡快速成型模型由于不完全的模型脱蜡或残留灰烬可能导致铸造缺陷。残留的灰烬通常是用水或压缩空气冲洗冷却的型壳来清除，然而，灰烬深陷在凹槽或密封腔内就会变得很难或不可能清除。Quick Cast和稀疏的建模方式的使用将会显著地减少残留灰尘的含量，因为他们消除了内部大约为60%～95%的环氧基树脂（SL）和ABS（FDM）零件，致使少量的残留灰烬含量在 0 .02%～0.05%之间。对于具有密实结构的模型（如 LOM），通常需要更长的烧除时间，大量材料被烧除将导致更高的残留灰烬的含量。

1.2 蜡注塑模具的制造

模具制造可以遵循两种方法，即直接和间接的快速模具制造。使用直接的方法，模具可以直接通过RP系统来制造而无需中间步骤，完整的模具还需要后处理来提高强度、表面抛光度和精确度。利用直接的方法制造得金属或塑料模具通常可以作为媒介用于大批量的生产。使用间接的方法，快速成型制造技术被用来创造所必需的模具。间接方法所使用的材料包括聚合物或金属复合材料、高分子材料和硅橡胶。因此，间接的方法将导致模具机械性较弱且主要适合小批量生产。

1.2.1 直接快速模具制造方法

直接金属模具制造。直接金属模具生产是RP中的一个全新的领域，已经引起了广泛的关注。迄今为止，已有超过6个商品化的系统是可供用于金属模具的生产。尽管开拓性的工艺诸如Rapid Tool（3D Systems公司）和直接金属激光烧结(DMLS)(EOS GmbH，Munich)，专供生产原型模具使用，但是后续的研究已经提高了Rapid Tool或DMLS模具的性能，因此缩小了快速模具和常规硬模之间的性能差距。直接金属模具工艺已经显著地影响了生产原型或模具所需的成本和生产周期。快速成型模具制造允许随形冷却水道的合并，可以减少注射循环周期，因此直接影响零件的成本和生产率。尽管由于孔隙率（5%～10%）快速成型模具机械性能弱于常规模具，但当用于蜡注射模塑时它们的性能有望优于常规模具。不很激烈的蜡注射工艺涉及温度和压力大约为55～60℃和1～3 MPa，与之相对在允许的模具寿命内塑胶注射可达200℃和100 MPa。

1)金属激光烧结（LS）

对于Rapid Tool，激光烧结是在涂有一薄层聚合物粘合剂材料的钢基粉剂中进行。这种预热的粘合剂熔体受到二氧化碳激光的照射致使粉剂凝固形成所需零件。将已完成的未处理的零件放入熔炉内焙烧来脱脂和烧结。烧结后的零件通过毛细作用进行青铜熔渗得到了强化且变得更加致密。为了提高零件质量，可进行精加工操作，Laser Form ST-100（420无斑点钢基粉剂）是最新的模具材料系统，可供替代Rapid Steel 2.0和Copper Polyamide粉剂。据报道，Laser Form ST-100模具经过激光烧结后可充分致密，表面粗糙度Ra可达5 μm。Rapid Tool模具已被成功用于塑料和蜡注射模塑，复杂的模具可在两周内生产出而且寿命可达5万至10万件。

另一成熟的激光烧结工艺是快速制模。快速制模类似于Rapid Tool且使用相同的粉剂原料。然而，与Rapid Tool不同，快速制模利用环氧基树脂熔渗代替青铜熔渗。尽管快速制模生产比Rapid Tool成本更低且速度更快，但是快速制模需要较长的注射周期且较为脆弱，这是由于使用简单的干燥箱来进行脱脂和烧结而引起环氧基树脂熔渗和金属氧化造成的。

2)金属三维打印

金属三维打印组件是由Sachs等人倡导的。这种Pro Metal工艺（Extrude Hone公司，巴拿马）是基于三维打印靠一个静电喷头在连续的钢基粉剂薄层上，有选择地堆积微小的粘合剂液滴而形成所需实体。将这种多空的未处理的零件放入熔炉内焙烧进行脱脂和烧结，由此产生的钢骨架，通过青铜熔渗可完全致密。这种简易的喷墨打印结果获得了相对快速的制造周期和广泛的金属适应性（包括工具钢）。尽管喷墨打印只有±0.025 mm的精确度，但后处理可使零件精确度达到±0.1 mm。

3)激光生成法（LG）

激光生成法基于激光熔覆技术最初被开发用作表面处理工艺。激光生成法通过向大功率Nd:YAG激光焦点区域的金属熔池中注射金属粉剂流来生产金属零件。激光扫描后熔融金属凝固形成完全致密结构而不需要二次后处理，未经处理的制件精确度和表面粗糙度分别约为0.13 mm和Ra为12 μm。使用惰性气体环境和粉剂传送系统防止形成氧化物。多种金属包括工具钢和镍基高温合金均可用于激光生成法。然而，激光生成法由于缺乏支撑系统只适合于低几何复杂度的零件（具有简洁的特征）。商业化的激光生成法工艺包括激光工程近净成形（LENS）工艺，LENS生产的模具能够生产10万件以上的注塑模组件。以激光生成法为基础的成熟工艺(包括形状沉积成型(SDM)、直接金属沉积(DMD)、精密光学制造业（POM），Michigan)，可以直接激光制造和受控金属积聚(CMB)。SDM 和CMB都是采用铣刀来塑造每一个堆积层并确保连续层堆积物的平面度。另外，在零件制造过程中，SDM 采用了牺牲层的材料支撑系统来稳固零件；CMB模具表面粗糙度Rz在3～5 μm之间，能够生产超过20万件注塑模组件。

4)直接型壳生产铸造(DSPC)

DSPC利用三维打印技术制造陶瓷型壳。在DSPC中，氧化铝粉通过硅胶粘合剂喷雾结合在一起，完整的型壳在铸造前先要进行焙烧，典型的成型精度为±0.02 mm。DSPC允许广泛的可选金属中生产的小批功能齐全的铸件进行快速转换。Sachs等人利用三维打印成功获得了陶瓷型壳，这些陶瓷型壳可用于铸造1 660℃镍高温合金，在焙烧过程中型壳收缩量最小。

5)直接陶瓷烧结

通过EOSINT M 160 RP系统中的直接烧结硅酸锆粉末，Fraunhofer-IPT研究所正在开发直接陶瓷型壳生产工艺。这种工艺有选择地熔化陶瓷粉末层从而形成型壳，将已完成的型壳清洗和预加热后可以直接用于铸造，其表面质量Rz可达30～50 μm且具有良好的精度。分析后显示，铸件的生产周期比常规熔模铸造方法减少95%。

1.2.2 间接快速模具制造方法

所有的间接快速模具制造方法，起始于铸件的快速成型制造，用原型来铸造所需的模具，因此，模具的质量在很大程度上取决于快速成型模型的质量。鉴于常规模具所需要考虑的因素，如在快速成型模型的设计和生产中，通过注射蜡收缩和铸造进行补偿等，这些补偿因素有时被转移到了模具中。

1)硅橡胶模具

在这个工艺中，将已脱泡的液化硅胶和硬化剂的混合物浇注到型框内进行快速成型原型，通过在液态硅胶中插入ABS、有机玻璃棒或切断已固化的硅胶区通道，将分流道和浇口通道合成一体。固化后，移除棒条形成通道，随后沿分型面用刀剖开摸取出原型，从而形成了模具型腔。硅橡胶模具允许采用多模快速生产，得到零件良好的表面质量。这一工艺已被成功地用于塑造蜡型，典型的硅胶模具能生产 100～300个模型。英国 IMI Rapid Prototyping用单一的硅胶模具已成功地生产出1000个蜡型。使用由清华大学开发的 Rapid Freezing工艺生产的冰雕，作为模型来铸造蜡模生产的硅胶模具，以此证明冰雕也可用于熔模铸造模型且具有易熔化、零残灰含量少、易移除等优点。

2)环氧树脂模具

制造环氧树脂模具先要将快速成型原型嵌入到耐火泥中预定出分型面，分流道和浇口通道是由附在原型上的ABS棒形成。装配前需进行喷涂脱模剂，把液体树脂或树脂/铝粉混合物浇注到原型周围，待固化后，把原型从硬化的一半模具中分离出来，清洗干净并重新喷涂脱模剂以准备浇注另一半模具（模具中的定位和锁定装置所形成的小孔都在现存的一半模具表面上被磨去了，否则将在另一半模具浇注过程中由于树脂占据这些小孔的空间而形成相应的钉状物），用现存的一半模具代替原型按照同样过程进行另一半模具的浇注。在浇注过程中两个半模间会形成残余应力，因此在两个半模被分离之前，需要对模组进行热处理。

环氧树脂模具已被成功地应用于塑料和蜡注射模塑，金属填充环氧树脂模具材料的使用改善了模具的耐久性和热传递特性。在浇注过程中，把铜线圈嵌入到树脂中可以增加额外的冷却通道。商业化时在可用的模具树脂包括EP250模具树脂(MCP，HEK-GmbH，Germany)和 Poly Steel(Dynamic Tooling，CA)中分别加入铝和钢填料。Poly Steel模具大大强于铝树脂模具且重量约为钢结构的 9 0%，尺寸收缩率达到 0 .02%，环氧树脂模具的表面粗糙度取决于快速成型原型的质量。Poly Steel模具已被成功地用于蜡注射模塑，由Poly Steel铸造的模具能生产50万～100万件塑料注射部件。

Eco Tool是由丹麦技术协会(DTI)和荷兰应用科学工业技术研究协会共同开发的一种工艺，利用工具钢粉/粘合剂系统制造注射模塑所需的铸造模具。Eco Tool与金属填充环氧树脂模具间的不同在于结合了烧结和铜基合金熔渗炉循环，依靠金属粉末和粘合剂系统。当在炉中进行循环加热之后，Eco Tool零件的整体收缩率大约在0.1%～0.3%。

3)金属喷涂模具

要创建一个喷涂金属模具，用电弧形喷涂工艺把熔融的金属微小液滴（如锡-锌或钢）喷涂在原型上，这一薄层喷覆在金属型壳的模具表面，增加了型壳的强度。利用纯环氧树脂、金属填充环氧树脂或低熔点的填充材料把固体背衬浇注到型壳周围，随着填充料的正确选择和冷却通道的建立，喷涂金属模具显示了良好的注射周期。采用这种方法，能够满足大模具获得低成本和高精度的要求，这具有收缩小和较长的使用寿命，大约可以进行1～10万次的注射。先进的喷涂金属模具工艺包括Ford’s Spray Form和Idaho国家工程与环境研究室(INEEL)的快速凝固工艺(RSP)模具。

4)铸造金属模具

快速成型模具原型被用于熔模铸造铝或钢成品模具，不可重复使用。与其他间接快速模具制造工艺相比，主要缺点是产生相对较长的制造周期和较低的精度，这是由于熔模的步骤所引起的。然而，铸造金属模具临界特征的紧公差可以通过二次机加工或局部镶件使其满足所需要的规格。依据所用金属，铸造金属模具据估计能生产几千到 2 0万件以上的塑料组件。Leyshon Miller公司已经利用FDM所制造的蜡模成功地生产出熔模铸造铝模镶件。应用以上工艺，该公司生产的中等尺寸、结构复杂的模具周期为1－2周。

5)3D Keltool模

3D Keltool工艺（3D Systems公司）起始于用硅橡胶模具制造的快速成型原型的复制。硅胶模具被用于浇铸所需的工具钢粉和粘合剂混合物制成的模具镶件，将已固化未处理的零件放入熔炉焙烧以脱脂和将钢粉烧结，将烧结后的零件进行铜渗处理，制成完全致密的结构，其成分为70%钢和30%铜。3D Keltool模具镶件受小产品尺寸所限，在塑料注射模塑中，估计寿命高于100万次。

2 采用快速成型及快速模具制造技术的工艺改进

大多数所述的快速制模（RP&T）技术仍在发展中或者仅仅是最近才被用于商业化。因此，使用任何技术成功制造出模具都必需大量地依靠流程培训、经验的积累以及模具制造者对这一技术的局限性和临界参数的理解与熟知，在大多数情况下，这一技术必须经过深层次的验证。尽管通过RP&T技术能够获得巨大的效益，但是快速模具在质量和性能方面仍落后于常规模具，对有关尺寸精度、表面质量和零件耐用性等问题仍需要作深一步地处理和改进。

2.1 尺寸精度

由于快速成型技术需要依靠输入CAD数据，数字的精确度将直接影响制造的结果。要制作精确的原型和模具，需要考虑收缩补偿因素、后续机械加工余量及铸造要求等条件，在工艺中必须要体现。除了人为因素外，在产品所需设计的精确数字表征和原CAD数据转换为RP系统可接受的数据（即STL格式）时，应用CAD系统有时会成为限制因素。在STL格式中，模型几何体表面由三角形阵列（细分曲面）进行近似逼近处理而形成，其大小（弦长参数化）由用户决定。弦长的设定通常要使文件的大小或所必需的大量计算机资源和转换后数据的最终精度之间相协调。此外，STL文件容易出现遗失或反转曲面等问题，许多研究解决了与STL文件修复和数据接口有关的问题。用来替代STL的可选数据格式，绕开了细分曲面工艺，通过 CAD模型直接切片来提高数据精度。

2.2 快速成型直接熔模铸造模型制造

对于快速成型制造的熔模铸造模型，粉基模型的表面粗糙度和残留灰烬的含量都需要进一步改进。一种解决方案或许可以使用更精细的粉末，这将有助于更薄的层堆积从而提高表面质量和减小台阶效应。然而，必须协调好制造周期和零件质量间的关系，做到既不能使粉末堆积工艺复杂化也不能延长制作周期。另外，浸渍剂可用于提高粉基模型的性能。对于来自于液基和固基原材料生产的模型，新的制造模式（Quick Cast和稀疏矩阵制造）和制造材料（蜡和热塑性塑料）的引进已经使铸造成功率达到100%。

2.3 金属模具制造的直接快速制模法

绝大多数可用于制造金属模具的RP&T工艺都需要外加后处理阶段（脱脂、烧结和熔渗）以使金属模具达到完全致密。要制造精密的金属铸件，需要精整的加工工艺（机加工和抛光阶段）使模具符合技术要求。精整加工阶段对模具最终精确度和质量效果显著，因此，需要作一些规划才能获得最佳效果，所有添加工艺都会增加模具制造所需的制作周期。然而，在激光生成法（LG）和直接金属激光烧结（DMLS）技术上，由于持续地改进以及引进低收缩的粉末产品，将会制造无需后处理而完全致密的金属模具。

2.4 非金属模具制造的间接快速制模法

由间接快速制模工艺生产的非金属模具比快速成型金属模具制造更快、更廉价。这种间接的制造方法通常比直接的方法简单且没有那么严格，因此，间接快速模具法能够很容易地被接受。然而，非金属模具由于其高隔热性具有比较长的注塑周期，其模具性能也比较差。

3 结语

各种商业化的RP&T技术以及研究与开发，将直接有益于熔模铸造工艺的改进。从制造业前景来看，RP、RT和IC都是非常先进的制造工艺，在现在消费市场中，这些工艺都能给生产制造商带来竞争优势。尽管RP&T技术是伴随着替代常规制造技术的愿望而被开发出来，但是在实现这样的愿望之前，必须要进一步提高现有的技术。上述讨论中明显告知，每一种RP&T工艺各自都具有一系列的优点和缺点，再加上大部分所述的技术都尚处于初级阶段，且根据制造单个成品金属铸件所需的成本和制造周期，也没有明显的证据证明RP&T技术是最有效益的。因此，用户应该在选定工艺之前正确评估自己的要求与使用各种方法的能力。