快速模具技术现状及其应用研究

摘 要：现代产业竞争越来越激烈，产品的生命周期也越来越短，现代产品的发展趋势已向轻、薄、短、小、高精度、多功能、人性化的方面发展，使得产商背负的研发更新压力越来越沉重。加之顾客不但要求产品具有良好的性价比，更期望自己的需要能够得到时效上的满足。而快速模具技术的特色就是“快”，能够加速新产品的开发上市，因此，文章从快速模具技术的现状及其应用状况进行研究和阐述。

关键词：快速原型技术；快速模具；模具制造

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）2-0119-02

在这个竞争激烈的时代，如何缩短产品开发时间已成为各厂商亟待研究与解决的问题。谁能在最短时间内以最少的经费推出新产品，谁就能在这个竞争激烈的年代抢得先手，保持市场的领先优势。而目前工业生产在其应用上，产品的开发流程通常可以分为三个阶段，即设计、试制以及正式量产。然而在正式量产之前，各厂商常需要投入大量的时间、人力、物力、财力去解决设计、试制的问题，在试制完成之后又需要结合设计与实际情况对产品进行改进。若能在设计、试制阶段节省开发时间及费用，则对于产品的时效性以及成本竞争性有极大的帮助，因此，快速原型技术是基于以上所述的因素发展起来的。

快速模具技术可以被视为快速原型技术的延伸，让快速原型技术原有的在开发阶段的优势直接延续应用到生产上，运用快速模具技术可以快速的量产产品，从而能够达到快速制造的目的。如果某些产品仅作为试探市场的产品，则可以在成本最小的情况下，进行小规模少量生产，借以了解消费者的需求情况。所以，快速原型技术在厂商生产过程中有重大的意义。

1 快速模具技术概况

快速模具技术的现状可以分为两方面来阐述，即直接制模法（直接快速模具）、间接制模法（间接快速模具）。

1.1 直接制模法

直接制模法是运用快速原型机直接制作出可以量产的模具的型芯，在此基础上再进行后续的加工与处理，如：型芯加工、模座安装、顶杆的制造等，获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度，这样就可以得到直接用于量产的模具。

目前，能够直接制造金属模具的快速原型工艺包括SLS、3D-Welding、SDM、3D-Welding等。直接制模法的技术涵盖了直接生产能够承受较高负荷的金属材料工件或量产用模具，有许多企业与机构以采用该方法进行产品的研发或科研，如：DTM公司、Extrude Hone公司、EOS公司、Stanford大学及Opomet公司等。

尽管直接制模法有其独特的优点，包括制造环节简单、能够充分的发挥快速原型技术等，对于那些需要复杂形状内流道冷却系统的模具与零件，采用直接制模法有着其他方法不能替代的优势。但是，它在模具精度与性能控制方面有较大的难度，此外模具的尺寸也受到了较大的限制。

1.2 间接制模法

间接制模法是运用快速原型机制作出一个想要得到的产品外型的原型件，在此基础上再经过翻制的过程得到模具。较之直接制模法，间接制模法通过快速原型技术与传统的模具翻制技术相结合制造模具，由于这些成熟的翻制技术的多样性，可以根据不同的应用要求，使用不同复杂程度和成本的工艺。一方面可以较好的控制模具的精度、表面质量、机械性能与使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。

间接制模法的技术涵盖了硅胶模具、精密铸造、金属树脂、金属喷涂模、3D System等。

2 快速模具技术现状

目前，在快速模具技术领域中最常使用的方法是以硅胶或金属树脂做为暂用模具的材料，其主要原因是硅胶具有良好的韧性与弹性，能够翻制出结构复杂、花纹精细、无脱模斜度以及一些具有深凹槽的零件，金属树脂材料则可以替代钢模或铝模进行少量多样的塑料注射成型。

对于快速模具和传统模具的不同，可以从三个方面来考量，即：时效、成本、成型件精度。

2.1 时效

对于时效性，模具从设计到制造完成，传统制造方法需要花费二至三个月时间。如果遇到较为复杂的模具，夹具的制作以及加工编程的复杂程度也会相应的增加，所需要花费的时间自然也增加。此外，对于一些无法使用刀具加工的部分需要制作电极采用CNC加工等。因此，传统模具在制造模具方面将花费很多时间。

相对来说，快速原型件可以在短短的数小时内就完成加工，经过确认无误后便可进行快速模具加工，并在精密脱蜡法制造过程中大概只需四天时间便能完成，从以上两点便可以得出在模具加工阶段便可节约不少时间。此外，在开模前若能采用一些模流分析软件，如：Moldex、Moldflow软件等，事先模拟注塑成型，除了可以节省试模时间外，更可以辅助设计人员正确的确定浇口的位置和数量，从而降低模具开发的失败率。

2.2 成本

对于成本，传统模具的制造在数控加工的过程中将会造成刀具损耗、产生废料，尤其是在CNC加工的过程中，会大量消耗电极。相对的，快速模具制造时没有电极消耗的问题，也不会有废料的产生。而用价格来说的话，透明硅胶约为3～4万元/t，金属硅胶为9～11万元/t，具有较好的经济性。

2.3 成型件精度

对于成型件精度，传统模具制造在数控加工的过程中，刀具的磨损、换刀以及多次装夹等都会影响到模具精度。快速模具制造过程中，如果能够妥善控制材料的收缩率，加工精度将能被有效的控制在一定的公差范围内。

3 快速模具技术的应用

以下将举例阐述国内外快速模具新技术的研究及应用，并对相应的应用及研究进行分析。

3.1 温度感测硅胶快速模具技术

该项研究提出了一种可以对产品从浇注到凝固这段时间内，观察其温度变化，对硅胶模具进行温度感测的方法。据研究结果显示，将其应用于硅胶模具的研发具备其可行性，该项技术可以延伸至智能型金属硅胶模具的制作。凭借热电偶可以获得产品在成型过程中的温度变化情况，而温度变化情况有助于提升3C产品用于注塑成型过程中的产品质量。

3.2 高精度快速模具技术

该项研究以48 CC摩托车引擎为研究对象，运用Solid Ground Curing快速原型机制作引擎气缸的原型件，并运用该原型件以间接制模法的硅胶模制作快速模具。据研究结果显示，引擎气缸硅胶模具切割可以分五块完成，这种切割方法是引擎气缸硅胶模具的最佳切割数目，优点包括：节省引擎气缸硅胶模具组装时间、减少引擎气缸硅胶模具组件在组装过程错误与引擎气缸硅胶模具组装后保持最佳成型精度。将引擎气缸硅胶模具放置于恒温箱中以70℃预热后，再浇注蜡液，可以提升引擎气缸蜡型浇铸件的成功率。凭借引擎气缸蜡型浇注件的尺寸测量可以得出，引擎气缸的长、宽、高平均收缩率为1%～2.2%，砂芯直径和方形孔的平均收缩率低于0.5%。

3.3 高强度快速模具技术

金属树脂是暂用模具最常用的材料之一，但是金属树脂的强度比金属模具低，当将金属树脂应用于注塑成型的暂用模具时，为了防止注塑成型时的高充填压力对模具造成破坏，通常采用增加金属树脂模具的厚度来提高强度，但这样做会增加金属树脂模具的制造成本，并且让金属树脂模具的硬化时间增长。为了改善金属树脂快速模具的强度，在该研究当中提出了在金属树脂模具制作过程中，添加玻璃纤维片的方法，用以研究其对金属树脂强度的影响。根据研究结果显示，金属树脂添加玻璃纤维片，对于提升金属树脂的机械性能有着较为明显的效果。

3.4 硅胶模具制程参数优化

对于快速模具技术的间接制模法中，硅胶模是最常用的技术之一。由于产品的生命周期越来越短，如何缩短产品开发的时间及费用，并且快速推出新产品，则变成了一个重要的研究议题，因此，提升硅胶模具制造效率则变成一个重要的研究方向。根据研究结果显示，硅胶和硬化剂的质量比为10：1时是最佳比例。调配后的硅胶置于30～80 ℃的温度环境，可以明显缩短硅胶的固化时间。调配后的硅胶放置于40～50 ℃的温度环境是最佳的预热温度，其优点包括能节省硅胶模具的固化时间，模具的型腔收缩率约为5%。

3.5 绿色硅胶快速模具技术

快速模具技术运用于一项新产品的研发时，被视为一个能节省时间、节约成本的方法。基于绿色制造（Green Manufacturing）的概念下，该研究提出了一种绿色硅胶快速模具的制造技术，该技术提供了制程简单与绿色制造的概念来制造硅胶模具。此技术优点包括了模具制造成功率高、减少快速模具制造成本以及具有环境保护的意义。据研究结果显示，绿色硅胶快速模具的材料费用节省率可达37.76%。

3.6 高成功率快速模具技术

金属树脂模具是暂用模具的常用方法之一，然而金属树脂模具制造的成功率须大量依赖成熟的人工技术，为了解决人为因素影响金属树脂模具制作的成功率，可以借由快速原型技术，用成品的分型面拆出浇注金属树脂的反型型芯型腔，进而翻制出金属树脂模具的型芯型腔，然而快速原型所使用的材料价格非常昂贵，加上金属树脂模具与反型原件的离形问题又是影响金属树脂模具制作成功率的关键因素，为了提高金属树脂模具制作的成功率，该研究提出了一个整合快速原型与快速模具技术于风扇叶片金属树脂模具的研制。研究结果显示，该制程的特色是金属树脂模具的制造成功率高、模具表面精度好、模具制造时间短以及模具制造成本低廉。

4 结 语

本文介绍了快速模具的概况、现状及其应用。通过与快速原型技术相结合，使快速模具技术成为产品快速更新换代和新产品研究开发的有效手段。快速模具技术的应用范围已能覆盖至各类大、中、小型模具；将以往传统机加工制造模具的加工周期由数月缩短至数周，极大的提高了效率，保证产品的开发进度及能够及早进入市场。同时，降低了模具制造成本，利用廉价的快速模具进行试模，可讲模具制造风险降低至最低，实现一次开模成功。

总之，基于快速原型的快速模具技术的开发和推广应用将对我国各行业的无风险开发新产品和实现产品快速更新换挥重要作用，产生可观的技术经济效益。

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