浅析3D打印复杂结构模具数字化的制造方法

　　模具是现代工业生产中的重要装备，其制造水平直接决定产品的质 量、效益和新产品的研发能力。传统模具制造的方法很多，如数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。但是，这些方法在制造复杂结构模具时存在周期长、成本高等问题。随着国际竞争加剧和市场全球化发展，产品更新换代加快，多品种、小批量成为模具行业的重要生产方式。这种生产方式要求缩短模具制造周期、降低模具制造成本。增材制造作为一种重要的数字化制造技术，可以由三维数字模型直接成形任意复杂实体结构，省去了传统的材料去除制造方法中使用的刀具、工装、冷却液和其他辅助装置，在产品单件或小批量生产方面具有显著的成本和效率优势。因此，AM技术广泛应用于模具工业，推动了复杂结构模具数字化制造的技术进步。

　　基于AM技术的复杂结构模具数字化制造方法及特点 目前，能够制造复杂结构模具的AM技术主要有：光固化快速成形、选择性激光烧结、熔融沉积制造、三维打印成形、分层实体制造，金属直接成形。利用AM技术实现模具快速制造的方法有两种：直接制模法和间接制模法。直接制模法是指利用AM技术直接由模具CAD数字模型制造模具本身，然后进行必要的后处理以获得模具所必须的力学性能、几何尺寸精度和表面质量。目前，能够直接制造模具的AM技术主要有金属直接成形、3DP、SLS和LOM。间接制模法是指将AM技术与传统模具翻制技术相结合来制造模具。目前，用于间接制模法的AM技术主要有SLA、FDM、LOM和SLS。基于AM技术的模具快速制造方法如图1所示。

　　基于AM技术的模具数字化制造方法的主要特点：可以实现复杂结构模具的快速制造;适用于金属、陶瓷、树脂、硅胶等多种类型材料的模具成形;在基于CAD数据直接制造模具的过程中，无需夹具、工装及人员参与，制造过程高度自动化。增材制造技术在模具制造方面的应用状况

　　1.SLA与模具快速制造

　　在模具直接制造方面，Corcione等以氧化硅/ 光敏树脂混合浆料为成形材料，采用SLA技术直接固化浆料来制造铸型生坯，经干燥和烧结获得陶瓷铸型，并铸造铝材零件;Bae等利用SLA技术固化氧化硅/丙烯酸酯单体的混合浆料，实现燃气轮机叶片的型芯/型壳一体化陶瓷铸型模具的快速制造。这些制模方法工艺简单，但制造的模具收缩过大、精度不高，同时由于浆料沉淀导致致密度不均匀。

　　目前，SLA技术广泛应用于模具的间接制造过程中。美国3D Systems公司推出了Quick CasTIng工艺来制造熔模铸造用陶瓷铸型，主要工艺过程为：利用SLA工艺制造树脂原型→在原型外涂挂陶瓷浆料→在高温炉内进行脱脂和焙烧后得到陶瓷铸型。3D Systems公司还推出了用于制造金属模具的Keltool工艺，其工艺过程为：制造SLA原型→翻制硅胶模具→在硅胶模具内填充工具钢粉末及粘接剂→脱脂和渗铜→模具。Grolman等以SL原型为母模，以环氧树脂为模具材料，翻制饮料瓶成形用吹塑模具。Beal等首先制造SL模具型壳，并在其内填充混有铝颗粒的环氧树脂，实现金属粉末注射模具的快速制造。西安交通大学研究人员首先采用SLA技术制造某复杂航空零件熔模铸造用压蜡模具的型壳，其包含了上下模、活块1和活块2的型壳，如图2（a）所示;然后在型壳内浇注金属树脂浆料，经固化后制备出包含上下模、活块1和活块2的压蜡模具如2（b）所示;

　　图2（c）为压制的蜡型和熔模铸造成形的金属零件。相比SL直接制模方法，SLA间接制模方法在实用化方面占有优势，但因增加模具翻制工艺，导致工艺复杂及模具精度控制难度大。此外，利用原型翻制的环氧树脂等软材模具，其耐磨和散热性能较差。

　　2.3DP与模具快速制造

　　目前，工业界主要利用3DP技术直接制造模具。Dippenaar等以石 膏粉体为成形材料，采用3DP技术制造真空辅助树脂传递成形用模具（见图3），并利用该模具制备刀片。Junk等以石膏为材料，采用3DP方法制造热塑成形用模具，以压制汽车模型车身顶盖。Budzik采用Zcorp公司的Z510三维打印机和Zcast 501专用粉体材料，直接制造的砂型模具，用于铸造转子叶片这些制模方法周期短、 工艺简单，但制造的模具精度和表面 粗糙度较差，致密度低、力学性能差。

　　3.FDM与模具快速制造

　　FDM技术主要应用在模具的间接 制造过程中。Idris和Blake等［17-18］采用FDM方法制作ABS树脂原型，并通过翻模方法制造熔模铸造用砂型模具。Lee等在采用FDM方法制造ABS树脂原型后，通过两种翻模工艺将树脂原型转换为陶瓷铸型，即：