2.3DP與模具快速制造 

目前，工業(yè)界主要利用3DP技術(shù)直接制造模具。Dippenaar等以石 膏粉體為成形材料，采用3DP技術(shù)制造真空輔助樹脂傳遞成形用模具（見圖3），并利用該模具制備刀片。Junk等以石膏為材料，采用3DP方法制造熱塑成形用模具，以壓制汽車模型車身頂蓋。Budzik采用Zcorp公司的Z510三維打印機(jī)和Zcast 501專用粉體材料，直接制造的砂型模具，用于鑄造轉(zhuǎn)子葉片這些制模方法周期短、 工藝簡(jiǎn)單，但制造的模具精度和表面 粗糙度較差，致密度低、力學(xué)性能差。

3.FDM與模具快速制造 

FDM技術(shù)主要應(yīng)用在模具的間接 制造過程中。Idris和Blake等[17-18]采用FDM方法制作ABS樹脂原型，并通過翻模方法制造熔模鑄造用砂型模具。Lee等在采用FDM方法制造ABS樹脂原型后，通過兩種翻模工藝將樹脂原型轉(zhuǎn)換為陶瓷鑄型，即：

①在樹脂原型外表面掛漿，經(jīng)脫脂和焙燒來(lái)制造陶瓷鑄型；

②首先由樹脂原型翻制硅橡膠模具，然后制造蠟型，最后由蠟型翻制陶瓷鑄型。FDM間接制模方法的工藝復(fù)雜，同時(shí)制造的原型精度低于SL原型，導(dǎo)致模具精度補(bǔ)償難度增加。 

4.LOM與模具快速制造 

LOM技術(shù)在模具直接制造及間接制造方面均有應(yīng)用。Tari等采用LOM方法制造樹脂傳遞成形用模具，工藝過程為：

①以底層涂覆熱塑性粘合劑的紙材為成形材料，利用CO2激光源切割紙材制造模具的單層截面，通過熱壓輥熱壓紙材實(shí)現(xiàn)各層截面的粘接，以制備樹脂傳遞成形用模具；

②在對(duì)模具進(jìn)行表面涂覆和打磨后，得到模具成品。利用該模具， 制造了以乙烯基脂為材料的I型梁。

Wang等選擇美國(guó)Helisys公司的LOM 2030成 形設(shè)備， 以紙材為成形材料，通過LOM及后處理工藝制造彈道的砂型模具。 Mueller等研究了LOM技術(shù)在砂型 鑄造、 熔模鑄造和陶瓷成形方面的應(yīng)用， 給出了有關(guān)的應(yīng)用案例，如利用LOM原型翻制砂型； 利用LOM原型翻制陶瓷蝸桿注射成形用模具，該模具內(nèi)部為硅膠外部為金屬套；直接制造熔模鑄造中的壓蠟?zāi)＞摺５�是，利用LOM技術(shù)制造模具，存在材料利用率和精度低、后處理工藝復(fù)雜等問題。

5.SLS與模具快速制造 

在模具直接制造方面，美國(guó)DTM公司推出了Rapidtool制模技術(shù)，其主 要工藝過程為：利用CO2激光器燒結(jié) 外層包裹粘接劑的金屬粉末來(lái)制造模 具半成品→燒結(jié)脫脂→滲銅處理→模具成品。德國(guó)EOS公司推出了Direct Tool制模技術(shù)，該技術(shù)也稱為直接金屬激光燒結(jié)制模技術(shù)， 通過燒結(jié)不同熔點(diǎn)的金屬粉末混合物來(lái)制造金屬模具。這兩種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于金 屬模具制造， 如Kenny等選用DTM公司的Sinterstation 2000 成形設(shè)備及 RapidSteel1和RapidSteel2成形材料， 采用Rapidtool工藝制造高分子材料成形 模具； Milovanovic等利用DMLS燒結(jié)H20模具鋼 （Cr，Ni，Mo，Si，V和C的復(fù)合粉末材料） ，制造了一段汽車輪胎的胎面模具； Kumar等利用SLS工藝燒結(jié)WC-Co粉末來(lái)直接制造注射模具，并通過熔滲青銅來(lái)提高模具的致密度和力學(xué)性能。

劉錦輝等利用SLS燒結(jié)環(huán)氧樹脂與金屬的粉末復(fù)合材料制造具有隨形冷卻水道的注塑模具鑲 塊 （見圖4），并通過熔滲青銅來(lái)提高鑲塊的致密度和力學(xué)性能。Harlan等 將聚合物粘接劑噴涂至氧化鋯粉體顆 粒表面， 然后利用SLS技術(shù)燒結(jié)粉體來(lái)制備氧化鋯陶瓷鑄型模具，并進(jìn)行鈦合金零件的鑄造。SLS制模方法工藝過程簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的模具的快速制造，但為了提高模具的致密度和力學(xué)性能需要進(jìn)行熔滲等后處理，增加了制模時(shí)間。 

此外，也可應(yīng)用SLS技術(shù)制造原型后再翻制模具，如劉紅軍等利用SLS燒結(jié)聚苯乙烯粉體來(lái)制造塑料原型，然后在原型外掛漿，經(jīng)脫脂和焙燒后得到陶瓷鑄型模具，以進(jìn)行鋁合金零件的精密鑄造。但是，利用SLS技術(shù)制造的原型精度較低，難以滿足高精度模具制造的要求。 

6.金屬直接成形與模具快速制造 

金屬直接成形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模具的直接和快速制造。Armillotta等通過選區(qū)激光熔化（SLM）和數(shù)控技術(shù)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)注塑模具型腔鑲塊的制造（見圖5），其中鑲塊上體由SLM技術(shù)熔化H11熱作鋼粉末制造，鑲塊下體由數(shù)控加工制造。Jeng等[30]選用Fe、Ni和Cr的混合粉體材料，采用金屬激光熔覆（SLC）和研磨結(jié)合的方法來(lái)制造金屬粉末注射成形模具，其中激光熔覆方法用于模具成形，研磨方法用于精確控制各熔覆層的高度和頂面平滑程度。金屬直接成形法可以實(shí)現(xiàn)具有較高致密度和力學(xué)性能的模具的快速制造，但工藝難度大，因此還處于技術(shù)研究階段。 增材制造技術(shù)在模具數(shù)字化制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì) 

（1）與直接制模方法相比，間接制 模方法工藝復(fù)雜，制模周期長(zhǎng)，模具壽命較短。直接制模方法，尤其是綜合性能良好的金屬模具的直接制造，是增材制造技術(shù)在模具行業(yè)的優(yōu)先發(fā)展方向。

（2）增材制造技術(shù)基于分層/疊加原理成形實(shí)體結(jié)構(gòu)，其中直接制模過程中模具表面因臺(tái)階效應(yīng)而精度較低，間接制模過程中原型表面的臺(tái)階效應(yīng)會(huì)傳遞至模具，導(dǎo)致模具表面精度的控制難度增加。此外，模具成形及后處理過程中的各種變形及收縮也會(huì)導(dǎo)致模具精度降低。基于增材制造技術(shù)的模具精度控制將成為一個(gè)重要的研究方向。

（3）目前，增材制造技術(shù)主要用于小型模具快速制造，在大型模具制造方面還存在技術(shù)瓶頸。未來(lái)有必要在大型模具制造方面進(jìn)行深入探索。 結(jié)束語(yǔ) 相比模具傳統(tǒng)制造方法，增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的快速制造，在單件或小批量生產(chǎn)用模具制造過程中，具有制造成本低、周期短的優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于模具制造業(yè)。未來(lái)，有必要在模具直接制造方法、模具精度和大型模具增材制造等方面進(jìn)行重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)，以進(jìn)一步提升基于增材制造技術(shù)的模具數(shù)字化制造水平。

作者：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 田國(guó)強(qiáng)、魯中良、李滌塵

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