快速成形与制造技术.doc

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快速成形与制造技术
引言

快速成形与制造(RPM:RapidPrototvfolng&Manufacturing)是融激光、材料科学、信息与控制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技术诞生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等以及我国的一些著名企业,都积极在产品设计过程中采用这项技术,进行产品的有关设计检验、外观讦审、装配实验、动态分析、光弹应力分析、风洞实验等,成功地实现了面向市场的产品造型设计敏捷化。而随之兴起的快速制模尤其是快速制造金属模具(RMT:RapidMetalTooling)则是由新产品设计迅速形成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场的必由途径,是RPM技术进一步发展并取得更大经济效益所面临的关键课题,成为当前RPM技术研究的国际前沿。值此世纪之交,该技术被美国汽车工程杂志讦为全球15项重大技术之首,受到全球制造业的广泛关注。

1快速制模技术的发展简况

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领市场,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覆盖件试制。其主要特点是制造工艺简单、生产周期短、价格便宜。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、陶瓷制作的汽车覆盖件模具还有待进一步改善。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技术在经历了模型与零件试制、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)方向发展,RMT已成为国际RPN技术应用研究开发的热点。

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根据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,但由于尺寸范围及精度、表面质量、综合机械性能等方面存在问题,离实用化尚有相当差距,目前最成熟的RNT法是间接法。



在直接制模法尚不成熟的情况下,目前具有竞争力的RMT技术主要是粉末烧结、电铸、铸造和熔射等间接制模法。国内外这方面的研究非常活跃,有许多金属模具间接快速制造技术的研究及应用事例。如3Dsystems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-CeramicComposite)工艺、IdahoNationalEngineeringandEnvironmental]Lab的快速凝固工艺(RSP,PaoidSolidificationProcess)、BadgerPattern公司的锌合金喷涂+树脂
·金属复合材料补强工艺和东京大学的RHST(RaopidHardSorayTooling)以及日产汽车公司的熔射快速制造金属模具法等。

Keltool方法的工艺路线是:由SLA方法生成快速原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48~50HRC。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方法首先在SLA方法生成的快速原型上镀上一层厚约1—5mm的镍,然后在镍质镀层上用化学反应凝固陶瓷材料(CBC,ChermicallvBondedCeramic)作背衬补强,将原型分离后得到最终模具。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机械性能需要进行时效处理,增加了制模时间。

BadaerPattern公司、东京大学和日产汽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,并采用树脂·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。东京大学开发的RHST方法则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天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。日产汽车公司的熔射制模法也采用不锈钢作为熔射材料,并采用树脂·金属复合材料补强,已用于数万至二十多万件的轿车覆盖件成形,但与RHST法相比,该法不能用于表面带天然精细皮革纹饰耐久注塑模具的制造,使用范围受到限制。

在我国,关于金属模具间接快速制造技术的研究受到高度重视,清华大学、华中理工大学在铸造模方面取得了许多研究成果;上海交大用精密铸造法快速翻制出汽车轮胎等金属模具;西安交通大学采用树脂原型、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研究所与烟台泰利汽车快速模具公司合作采用电弧熔射锌合金制作出快速经济注塑模具。

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。东京大学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尤其是目前市场急需的汽车内外饰件和覆盖件模具有广阔的应用前景。与直接法相Lk,间接法目前虽在实用化方面占有优势,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,导致精度控制难度大。因此,开发尺寸稳定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,同时必须加快开发短流程直接制造金属模具的方法。



直接法尤其是直接R