模具制造技術(shù)一種新的精密高加工與成形方法在現(xiàn)代加工制造中，模具零件的成型方式一般分為3種，即去除成（dislodgeforming）、添加/堆積成型（adding/stackingforming）以及凈尺寸/受迫成型（net/forcedforming）。出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末期（RP_rapidprototyping）技術(shù)便是屬于物體成型方式中的添加/堆積成型?？焖俪尚图夹g(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)中非常重要的一種，它在制造模具方面可以快速響應(yīng)市場需求，是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域中最顯著的創(chuàng)新成果。從模具/零件成型方式中的去除成型與添加/堆積成型相結(jié)合的方式出發(fā)，依據(jù)離散制造的原理，提出了一種新的直接制造金屬模具的快速成型方法。
金屬快速成型工藝介紹在目前的快速成型工藝中，金屬模具與產(chǎn)品速制造技術(shù)可分為直接金屬快速制造技術(shù)和間接金屬快速制造技術(shù)兩大類，直接金屬零件/模具快速制造工藝。直接金屬零件/模具的快速制造技術(shù)，主要是從已有的快速成型工藝中直接使用金屬材質(zhì)成型以及開發(fā)新的適合于金屬直接成形的工藝。目前已成功應(yīng)用的有板材疊加制造、粉末燒結(jié)堆積成型、金屬絲材熔融堆積、金屬微滴沉積成形以及氣相沉積成形。
金屬板材疊加制造，是直接采用金屬片材為材料，通過激光切割、電弧焊接或粘接劑粘結(jié)金屬片材成形金屬件。這種方法的主要弊端是金屬零件或模具工業(yè)2006年第32卷第8期金屬產(chǎn)品與模具快速制造分類或模具的性能低，難以滿足實際需要的技術(shù)要求。
目前這種技術(shù)主要還在進(jìn)行基礎(chǔ)方面的試驗。金屬粉末堆積成形，是采用激光燒結(jié)或粘接劑粘結(jié)金屬粉末成形，典型代表是粉末激光燒結(jié)（SLS）和三維打?。?DP）工藝。目前已有基于SLS工藝的商品化設(shè)備，但是其只能使用極其有限的成形材料，難以成形大型原型，并且激光燒結(jié)設(shè)備昂貴，難以降低制造成本。金屬絲材熔融堆積，是由美國Stratasy公司開發(fā)出能用FDM工藝成形的金屬材料。將金屬粉與粘結(jié)劑摻勻，然后擠壓成具有足夠彎曲強(qiáng)度的絲供FDM設(shè)備成形使用。這種方法可制造出不銹鋼、鎢及碳化鎢材料的零件。金屬微滴沉積成形，是采用金屬液滴沉積/噴射的方式直接成形金屬零件/模具。這種成型方法具有較高的效率，可以制造大型原型，但是由于采用金屬液滴為基本制造單位，所以制造柔性受到了限制。氣相沉積成型，是由美國Connecticut大學(xué)提出的，這是一種基于活性氣體分解沉淀的成型技術(shù)，使用高能量激光的熱能或光能分解一種活性氣體，沉積出一個材料的薄層進(jìn)行逐層制造，通過改變活性氣體的成分和溫度以及激光束的能量，可以沉積出不同材料的零件，但制造速度較慢間接金屬產(chǎn)品與模具快速制造工藝。
間接金屬產(chǎn)品與模具的快速制造工藝目前主要可以歸結(jié)為4類，即精密鑄造成形、電鑄成形、粉末冶金成形以及微滴噴射沉積成形。精密鑄造成形，采用快速成型技術(shù)與鑄造技術(shù)相結(jié)合，是最直接、成本最低、性能最好的快速成型工藝方法。這種方法的缺點是成形模具的尺寸精度與表面質(zhì)量較低，制造周期較長，也難以實現(xiàn)功能梯度材料產(chǎn)品與模具的快速制造。電鑄成形，澳大利亞昆士蘭州理工大學(xué)開發(fā)了基于SL工藝的電鑄制模技術(shù)，先制造SL原型，翻制硅膠模，電鑄成形鎳金屬殼，安放金屬框架，鋁粉增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂背襯殼層形成模具，可成形0.50.8mm的鋁板，優(yōu)點是精度高，缺點是成形速度慢、模具壽命低。粉末冶金成形，是由美國3DSystems公司推出3DKeltoolDrexelUniversity推出的快速燒結(jié)制造工藝，這些方法都需要翻制硅膠模，得到模具生坯件，通過燒結(jié)去除粘結(jié)劑，得到內(nèi)部疏松結(jié)構(gòu)（30%孔隙率）的模具熟坯件，最后經(jīng)滲銅處理增加材料的致密度和機(jī)械強(qiáng)度，通過機(jī)加工保證模具的精度，其不足是需要高溫?zé)Y(jié)，工藝較復(fù)雜。金屬沉積成形，包含熔射制模法，可直接熔射不銹鋼粉末沉積制造模具，以及基于電弧噴涂沉積的快速制造方法。目前的金屬直接快速成型方法，存在精度低，材料性能差的缺點，尤其是熔融堆積金屬的難度決定了它難以迅速商品化。而金屬間接快速制造技術(shù)由于需要工藝轉(zhuǎn)換，周期長，且存在精度損失，難以制造出高精度、表面質(zhì)量好的模具。然而金屬零件/模具快速制造存在著巨大的市場，并且要求產(chǎn)品對市場有快速響應(yīng)的能力，鑒于這些原因，快速成型技術(shù)還在不斷向前發(fā)展。現(xiàn)提出一種基于超聲波焊接的直接金屬快速成型方法，不使用任何粘結(jié)劑，直接實現(xiàn)固體成型，克服成型材料相變、熱膨脹、收縮等弊端，可直接制造大型工件與模具，是一種新的精密高效低成本快速成型方法。
基于超聲波焊接的快速成型機(jī)理超聲波焊接原理超聲波焊接是利用超聲波頻率（>16kHz）的機(jī)械振動能量，連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料及金屬陶瓷等的特殊焊接方法。金屬超聲波焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件引入高溫?zé)嵩?，只是在靜壓力下將彈性震動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能以及隨后有限的溫升。接頭間的冶金結(jié)合是在母材不發(fā)生熔化的情況下實現(xiàn)的，因而是一種固態(tài)焊接。超聲波焊接工作原理如所示。
變頻超聲波發(fā)生器將工頻電流轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡l率（1516kHz）的振蕩電流。放大器的振動方向上聲極的振動方向收縮效應(yīng)將電磁能轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械振動能。放大器用來放大振幅，并通過耦合桿和上聲極耦合到工件。在這里，換能器、放大器、耦合桿和上聲極的自振頻率將設(shè)計成同一頻率。當(dāng)變頻超聲發(fā)生器的振蕩電流頻率與換能器、放大器、耦合桿和上聲極的自振頻率一致時，系統(tǒng)將產(chǎn)生諧振，從而向受靜壓力F的工件輸出彈性振動能。種薄材工件被粘接在一起。采用超聲波焊接片材的優(yōu)點是它可適用于多種金屬、非金屬以及各種組合材料的焊接。它屬于一種低成本加工方式，無需使用一些消耗物，如昂貴的焊錫、焊油或使用硬焊。能量消耗較小，與電阻點焊相比，耗用功率僅為電阻點焊的5%左右。它的焊件變形小，一般不超過3%5%，并且對工件表面的清潔度要求不高。焊接迅速，一般焊接時間在0.5s以內(nèi)完成。屬于低溫操作，超聲波焊接焊點溫度不會擴(kuò)散，不會造成焊件高溫。鑒于這些優(yōu)點，用超聲波焊接來作為此成型方法中的Z向（垂直方向）片材連接方式。
快速成型機(jī)理此快速成型方法是采用厚度在0.11.5mm的薄片金屬片材或帶材，材料表面不需要涂覆任何粘接劑，加工時，逐層進(jìn)行，先采用超聲波焊接，層層之間的結(jié)合實現(xiàn)固體連接，在每一層焊接完成后，根據(jù)計算機(jī)中CAD圖形的數(shù)據(jù)信息，驅(qū)動刀具進(jìn)行平面加工，然后再堆積加工成形新層，直至完成模具或零件的制造，從而實現(xiàn)了一種新的精密高效低成本加工與成形技術(shù)。該快速制造方法的裝置示意圖基于超聲波焊接的模具或產(chǎn)品快速制造方法系統(tǒng)原理圖具體的加工方法為：每一層首先使用超聲波焊接，然后再使用刀具平面切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加工平面；使用熱壓輥熱壓新層與工作臺上部件，進(jìn)行工件預(yù)熱；工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上焊接新層和根據(jù)數(shù)據(jù)信息切割新層截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面焊接、切割完，得到分層制造的實體模具或零件。其快速制造過程流程圖。
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