金属快速成型工艺介绍
模具制造技术一种新的精密高加工与成形方法在现代加工制造中，模具零件的成型方式一般分为3种，即去除成（dislodgeforming）、添加/堆积成型（adding/stackingforming）以及净尺寸/受迫成型（net/forcedforming）。出现于20世纪80年代末期（RP_rapidprototyping）技术便是属于物体成型方式中的添加/堆积成型。快速成型技术是现代先进制造技术中非常重要的一种，它在制造模具方面可以快速响应市场需求，是近20年来制造技术领域中最显著的创新成果。从模具/零件成型方式中的去除成型与添加/堆积成型相结合的方式出发，依据离散制造的原理，提出了一种新的直接制造金属模具的快速成型方法。
金属快速成型工艺介绍在目前的快速成型工艺中，金属模具与产品速制造技术可分为直接金属快速制造技术和间接金属快速制造技术两大类，直接金属零件/模具快速制造工艺。直接金属零件/模具的快速制造技术，主要是从已有的快速成型工艺中直接使用金属材质成型以及开发新的适合于金属直接成形的工艺。目前已成功应用的有板材叠加制造、粉末烧结堆积成型、金属丝材熔融堆积、金属微滴沉积成形以及气相沉积成形。
金属板材叠加制造，是直接采用金属片材为材料，通过激光切割、电弧焊接或粘接剂粘结金属片材成形金属件。这种方法的主要弊端是金属零件或模具工业2006年第32卷第8期金属产品与模具快速制造分类或模具的性能低，难以满足实际需要的技术要求。
目前这种技术主要还在进行基础方面的试验。金属粉末堆积成形，是采用激光烧结或粘接剂粘结金属粉末成形，典型代表是粉末激光烧结（SLS）和三维打印（3DP）工艺。目前已有基于SLS工艺的商品化设备，但是其只能使用极其有限的成形材料，难以成形大型原型，并且激光烧结设备昂贵，难以降低制造成本。金属丝材熔融堆积，是由美国Stratasy公司开发出能用FDM工艺成形的金属材料。将金属粉与粘结剂掺匀，然后挤压成具有足够弯曲强度的丝供FDM设备成形使用。这种方法可制造出不锈钢、钨及碳化钨材料的零件。金属微滴沉积成形，是采用金属液滴沉积/喷射的方式直接成形金属零件/模具。这种成型方法具有较高的效率，可以制造大型原型，但是由于采用金属液滴为基本制造单位，所以制造柔性受到了限制。气相沉积成型，是由美国Connecticut大学提出的，这是一种基于活性气体分解沉淀的成型技术，使用高能量激光的热能或光能分解一种活性气体，沉积出一个材料的薄层进行逐层制造，通过改变活性气体的成分和温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件，但制造速度较慢间接金属产品与模具快速制造工艺。
间接金属产品与模具的快速制造工艺目前主要可以归结为4类，即精密铸造成形、电铸成形、粉末冶金成形以及微滴喷射沉积成形。精密铸造成形，采用快速成型技术与铸造技术相结合，是最直接、成本最低、性能最好的快速成型工艺方法。这种方法的缺点是成形模具的尺寸精度与表面质量较低，制造周期较长，也难以实现功能梯度材料产品与模具的快速制造。电铸成形，澳大利亚昆士兰州理工大学开发了基于SL工艺的电铸制模技术，先制造SL原型，翻制硅胶模，电铸成形镍金属壳，安放金属框架，铝粉增强的环氧树脂背衬壳层形成模具，可成形0.50.8mm的铝板，优点是精度高，缺点是成形速度慢、模具寿命低。粉末冶金成形，是由美国3DSystems公司推出3DKeltoolDrexelUniversity推出的快速烧结制造工艺，这些方法都需要翻制硅胶模，得到模具生坯件，通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构（30%孔隙率）的模具熟坯件，最后经渗铜处理增加材料的致密度和机械强度，通过机加工保证模具的精度，其不足是需要高温烧结，工艺较复杂。金属沉积成形，包含熔射制模法，可直接熔射不锈钢粉末沉积制造模具，以及基于电弧喷涂沉积的快速制造方法。目前的金属直接快速成型方法，存在精度低，材料性能差的缺点，尤其是熔融堆积金属的难度决定了它难以迅速商品化。而金属间接快速制造技术由于需要工艺转换，周期长，且存在精度损失，难以制造出高精度、表面质量好的模具。然而金属零件/模具快速制造存在着巨大的市场，并且要求产品对市场有快速响应的能力，鉴于这些原因，快速成型技术还在不断向前发展。现提出一种基于超声波焊接的直接金属快速成型方法，不使用任何粘结剂，直接实现固体成型，克服成型材料相变、热膨胀、收缩等弊端，可直接制造大型工件与模具，是一种新的精密高效低成本快速成型方法。
基于超声波焊接的快速成型机理超声波焊接原理超声波焊接是利用超声波频率（>16kHz）的机械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方法。金属超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件引入高温热源，只是在静压力下将弹性震动能量转变为工件间的摩擦功、形变能以及随后有限的温升。接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的，因而是一种固态焊接。超声波焊接工作原理如所示。
变频超声波发生器将工频电流转变为超声波频率（1516kHz）的振荡电流。放大器的振动方向上声极的振动方向收缩效应将电磁能转换成弹性机械振动能。放大器用来放大振幅，并通过耦合杆和上声极耦合到工件。在这里，换能器、放大器、耦合杆和上声极的自振频率将设计成同一频率。当变频超声发生器的振荡电流频率与换能器、放大器、耦合杆和上声极的自振频率一致时，系统将产生谐振，从而向受静压力F的工件输出弹性振动能。种薄材工件被粘接在一起。采用超声波焊接片材的优点是它可适用于多种金属、非金属以及各种组合材料的焊接。它属于一种低成本加工方式，无需使用一些消耗物，如昂贵的焊锡、焊油或使用硬焊。能量消耗较小，与电阻点焊相比，耗用功率仅为电阻点焊的5%左右。它的焊件变形小，一般不超过3%5%，并且对工件表面的清洁度要求不高。焊接迅速，一般焊接时间在0.5s以内完成。属于低温操作，超声波焊接焊点温度不会扩散，不会造成焊件高温。鉴于这些优点，用超声波焊接来作为此成型方法中的Z向（垂直方向）片材连接方式。
快速成型机理此快速成型方法是采用厚度在0.11.5mm的薄片金属片材或带材，材料表面不需要涂覆任何粘接剂，加工时，逐层进行，先采用超声波焊接，层层之间的结合实现固体连接，在每一层焊接完成后，根据计算机中CAD图形的数据信息，驱动刀具进行平面加工，然后再堆积加工成形新层，直至完成模具或零件的制造，从而实现了一种新的精密高效低成本加工与成形技术。该快速制造方法的装置示意图基于超声波焊接的模具或产品快速制造方法系统原理图具体的加工方法为：每一层首先使用超声波焊接，然后再使用刀具平面切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材（料带）分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；使用热压辊热压新层与工作台上部件，进行工件预热；工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上焊接新层和根据数据信息切割新层截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面焊接、切割完，得到分层制造的实体模具或零件。其快速制造过程流程图。
