第九章_基于快速原型的鋼質(zhì)硬?？焖僦圃旒夹g(shù)講述

1、第九章第九章 基于快速原型的鋼質(zhì)硬?？焖僦圃旒夹g(shù)基于快速原型的鋼質(zhì)硬?？焖僦圃旒夹g(shù) 快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社（第三版） 金屬鋼質(zhì)硬模的直接快速制造，是快速原型技術(shù)向快速制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變，是國(guó)內(nèi)外RP及RT領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)及發(fā)展方向。這是由于金屬鋼質(zhì)硬模制作的快速性，可以使得設(shè)計(jì)人員想象中的概念模型快速地轉(zhuǎn)換成為試驗(yàn)產(chǎn)品，而試驗(yàn)產(chǎn)品一旦成功，人們又可以利用金屬鋼質(zhì)模的剛度與硬度大批量地投入生產(chǎn)，使產(chǎn)品快速占領(lǐng)市場(chǎng)，為企業(yè)贏得先機(jī)。 金屬鋼質(zhì)硬模的直接快速制造技術(shù)將快速原型技術(shù)的快速性及可以制作幾何形狀極其復(fù)雜零件或模

2、具的優(yōu)越性與機(jī)械制造方法（如CNC機(jī)床）、電加工制造方法、粉末冶金方法所能實(shí)現(xiàn)的高強(qiáng)度、高精度、高表面質(zhì)量的優(yōu)越性結(jié)合起來(lái)。一船認(rèn)為，若能實(shí)現(xiàn)模具強(qiáng)度不低于500MPa，精度不低于0.01mm，表面租糙度值小于Ra20m，那么該技術(shù)便可為工業(yè)界所接受并可大面積用于工業(yè)生產(chǎn)。第九章第九章 基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù)基于快速原型的鋼制硬模快速制造技術(shù) 金屬鋼質(zhì)硬模的直接快速制造，是快速成型技術(shù)向快速制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變，是國(guó)內(nèi)外RP及RT領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)及發(fā)展方向。這是由于金屬鋼質(zhì)硬模制作的快速性，可以使得設(shè)計(jì)人員想象中的概念模型快速地轉(zhuǎn)換成為試驗(yàn)產(chǎn)品，而試驗(yàn)產(chǎn)品一旦成功，人們又可以利用金屬鋼質(zhì)

3、模的剛度與硬度大批量地投入生產(chǎn)，使產(chǎn)品快速占領(lǐng)市場(chǎng)，為企業(yè)贏得先機(jī) 目前，可以制得金屬鋼質(zhì)硬模的工藝方法有：KeltoolTM法快速制模、間接金屬粉末激光燒結(jié)成型制模（RapidToolTM）、直接金屬粉末激光燒結(jié)制模（Direct Metal Laser Sintering, DMLS）、激光近成型技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping, LENSTM）、ExpressToolTM法快速制造鎳和銅復(fù)合殼模、鎳和陶瓷混合物模具制造技術(shù)（NCC Tooling）、氣相沉積鎳殼-背襯模、熔模鑄造金屬模制造工藝、直接金屬三維打印制模技術(shù)等。 第九章第九章 基于快速原型的鋼制硬

4、?？焖僦圃旒夹g(shù)基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù) KeltoolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) DirectToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 激光近成型技術(shù)激光近成型技術(shù) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù)13524第九章第九章 基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù)基于快速原型的鋼制硬模快速制造技術(shù)第一節(jié) KeltoolTM法快速制模技術(shù) KeltoolTM法快速制模技術(shù)由美國(guó)3D Systems公司開(kāi)發(fā)成功，后轉(zhuǎn)讓給美國(guó)Keltool公司。KeltoolTM法制模技術(shù)實(shí)際上是一種粉末冶金工藝。 首先基于三維CAD

5、軟件設(shè)計(jì)的概念原型（包括型腔和型芯）采用快速原型系統(tǒng)來(lái)制造原始原型；然后利用原始原型制得硅橡膠軟模；接下來(lái)在真空無(wú)壓狀態(tài)下向硅橡膠軟模內(nèi)澆注由兩種不同成分、不同粒徑組成的雙形態(tài)混合金屬粉末與有機(jī)樹(shù)脂粘結(jié)劑按一定比例組成的混合物，固化后制得待燒結(jié)坯；然后將待燒結(jié)坯放置于有氫氣氣氛的燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程的低溫階段，粘結(jié)劑被燒除并由流動(dòng)的氫氣帶走；再繼續(xù)升溫?zé)Y(jié)，將純金屬粉末燒結(jié)在一起，從而制得孔隙分布均勻的骨架狀坯體；最后，向骨架狀坯體中滲入另一種金屬（一般為銅），使之成為完全致密的金屬模具。由此工藝所制得的金屬鋼質(zhì)硬模一般為70%的雙形態(tài)混合金屬和30%的銅，其硬度可以因雙形態(tài)混合金屬的

6、成分不同而不同。比如由A6模鋼粉末及碳化鎢粉末組成的雙形態(tài)混合鐵粉作為基體并經(jīng)過(guò)滲銅致密和熱處理后得到的鋼質(zhì)硬模，硬度可達(dá)46-50HRc。v1.1 KeltoolTM法基本原理及工藝流程法基本原理及工藝流程 圖9-1、圖9-2分別給出了KeltoolTM法的快速制模技術(shù)進(jìn)行型芯和型腔制作的工藝原理及工藝流程。圖圖 9-1 KeltoolTM方法工藝原理方法工藝原理 a)原型 b)澆注硅膠 c)澆注金屬粉 d)燒結(jié)并滲銅等 e)金屬模具圖圖 9-2 KeltoolTM方法工藝流程方法工藝流程第一節(jié) KeltoolTM法快速制模技術(shù) KeltoolTM法快速制模一般使用以WC粉末和A6工具鋼粉末

7、組成的雙形態(tài)混合粉末為基體材料，上述這種雙形態(tài)混合粉末中，精細(xì)研磨的WC顆粒，直徑約為1-4m（平均有效粒徑為2.5m），一般為多邊形或粒狀；A6工具鋼粉末直徑為20-38m（平均有效粒徑為27m）。與簡(jiǎn)單地采用單一形態(tài)的粉末相比，這種雙形態(tài)混合顆粒的優(yōu)點(diǎn)如下： 粗細(xì)粒徑比大于7，因此雙形態(tài)包的密度高得多。 精細(xì)的WC顆粒能填充較大A6工具鋼顆粒之間的空隙。 粘結(jié)劑的密度小的多，在還原爐中需要去除的粘結(jié)劑較少。 燒結(jié)過(guò)程中平均收縮率較小，提高精度。 充分發(fā)揮了各組分的特點(diǎn)，比如粒徑較小的WC顆粒能提高表面光潔度， 且能改善鑲塊的耐磨性，粒徑較大的A6工具鋼顆粒則可以提供良好的韌性。v1.2 K

8、eltoolTM法的工藝特點(diǎn)法的工藝特點(diǎn) 第一節(jié) KeltoolTM法快速制模技術(shù)該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)： 以KeltoolTM制成的耐用鋼模材料為70%A6工具鋼粉末及碳化鎢和30%銅，A6模鋼有良好的抗磨和低扭曲性，而碳化鎢的硬度和耐久性極佳，銅原料則能夠提高強(qiáng)度和導(dǎo)熱率。 其硬度為30-34HRc，熱處理后為46-50HRc，具有非常好的模具壽命，可達(dá)1百萬(wàn)件以上。 工藝流程簡(jiǎn)單，制作快速。 只要溫度控制精確，可以將燒結(jié)和滲銅連續(xù)進(jìn)行，節(jié)約成本，縮短制作時(shí)間，而且減少因溫度變化而引起的收縮和變形。 該工藝的主要缺點(diǎn)： 所需材料要求粒度較細(xì)，且對(duì)粘結(jié)劑的粘結(jié)性、流動(dòng)性、固化性等性能有很?chē)?yán)格的要求

9、。 所用母模（模具負(fù)型）無(wú)足夠的強(qiáng)度和硬度，故成形的模具精度不夠高。 模具生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，平均為4周，其中制作型芯件需要810天，而且型芯件的尺寸較小，一般在152mm203mm101mm以下。 第一節(jié) KeltoolTM法快速制模技術(shù) KeltoolTM法快速制模成型工藝適合生產(chǎn)低公差、精細(xì)的模具，其尺寸精度為250mm土0.04mm。圖9-3給出的是采用KeltoolTM方法制作的模具型腔及裝配的模具。圖9-4給出的是采用KeltoolTM工藝制作的模具及利用該模具生產(chǎn)的制品。 a)模具的型腔 b)裝配的模具圖圖9- 3 KeltoolTM法制作的模具法制作的模具v1.3 KeltoolTM

10、法的應(yīng)用法的應(yīng)用 第一節(jié) KeltoolTM法快速制模技術(shù)圖圖9-4 KeltoolTM法制作的模具及相應(yīng)的注塑件法制作的模具及相應(yīng)的注塑件第一節(jié) KeltoolTM法快速制模技術(shù) KeltoolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) DirectToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 激光近成型技術(shù)激光近成型技術(shù) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù)13524第九章第九章 基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù)基于快速原型的鋼制硬模快速制造技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) RapidToolTM

11、法制模技術(shù)也稱(chēng)為間接金屬粉末激光燒結(jié)制模，是由美國(guó)DTM公司開(kāi)發(fā)的一種用于快速模具的粉末成型技術(shù)。該成型技術(shù)是依據(jù)Texas大學(xué)獲得的專(zhuān)利技術(shù)為基礎(chǔ)致力于粉末類(lèi)快速原型機(jī)器的研發(fā)與生產(chǎn)之后開(kāi)發(fā)成功的。 RapidToolTM方法的工藝過(guò)程原理如圖9-5所示。具體過(guò)程為：首先首先利用CO2激光照射外層包有粘結(jié)劑的金屬粉末使粉末粘結(jié)成為半成品粉末粘結(jié)成為半成品。RapidToolTM工藝采用50WCO2激光器，所用成型材料中的粘結(jié)劑為熱塑性聚合物，顆粒粒徑約為5m，被預(yù)先包裹在低碳鋼粉顆粒上，低碳鋼粉顆粒粒徑約為55m。粘結(jié)劑被激光熔化后，使準(zhǔn)球形鋼粉顆粒固定在一起，成為半成品。在這種狀態(tài)下，半成

12、品相當(dāng)脆，其強(qiáng)度僅為3MPa，因此必須小心處理，以免損傷薄弱部位。 v2.1 RapidToolTM工藝原理及流程工藝原理及流程 圖圖 9-5 RapidToolTM制模工藝原理制模工藝原理a) SLS方法燒結(jié)涂有粘接劑的金屬粉末 b) 燒結(jié)并滲銅 c) 表面處理并安裝 其次其次，將半成品進(jìn)行燒結(jié)燒結(jié)處理。將半成品置于含有25%氫氣和75%氮?dú)獾碾姞t中。爐溫大約在700時(shí)，粘結(jié)劑幾乎全部被去除，最初的還原物為甲烷，將隨過(guò)量的氮?dú)馀c氫氣一起從爐內(nèi)排出。在高溫下，最終的燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳和水蒸氣。由于任何燃燒過(guò)程都不可能很完全，因此，也會(huì)產(chǎn)生微量的一氧化碳與多種氮氧化物，但是，它們的含量很低，

13、與大量的空氣混合后，CO與NOx的濃度足夠小，從而能符合最嚴(yán)格的環(huán)境 第二節(jié)第二節(jié) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 保護(hù)要求。此外，由于任何氧化過(guò)程都不會(huì)很完全，會(huì)存在少量的碳渣，它會(huì)起膠粘作用，暫時(shí)協(xié)助粘合鋼粉顆粒。這樣燒結(jié)后制得含有60%體積金屬，以及40%體積空隙的鋼骨架半成品。 然后然后，將鋼骨架半成品進(jìn)行滲銅滲銅處理。繼續(xù)將鋼骨架半成品放入充以70%氮?dú)夂?0%氦氣的加熱爐內(nèi)，并在適當(dāng)位置擺設(shè)銅磚，之后，升溫至銅的熔點(diǎn)以上，低碳鋼顆粒的熔點(diǎn)之下，大約1120時(shí)，在制品下面的銅磚開(kāi)始熔化并因毛細(xì)管現(xiàn)象滲入鋼骨架中因粘結(jié)劑蒸發(fā)所遺留下來(lái)的空隙，得到無(wú)孔隙的全致密的模具

14、。 最后最后再將此全致密的模具進(jìn)行一些后處理后處理的工作如加工加工入料孔、冷卻水孔、頂出孔等，便完成了用于注射成型模具型芯的制作，然后直接安裝在模座上，便可以在注射成型機(jī)上進(jìn)行批量制品的生產(chǎn)。 第二節(jié)第二節(jié) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 該方法所得到的型芯由60%的鋼和40%的銅所組成，在爐中的總線(xiàn)收縮率為2.53.5%，硬度可達(dá)HRC27，材料機(jī)械性能優(yōu)于Al7075，壽命可超過(guò)50000件。RapidToolTM工藝的優(yōu)點(diǎn)為： 制作過(guò)程快速(約515工作日)； 模具型芯中含有40%或45%的銅，注射模具的冷卻效果好，循環(huán)時(shí)間可大大縮短； 模具壽命長(zhǎng)； 可使用傳統(tǒng)工具進(jìn)

15、行機(jī)加工。 該快速模具工藝方法的缺點(diǎn)該快速模具工藝方法的缺點(diǎn)是在1120滲銅時(shí)會(huì)因高溫導(dǎo)致制件變形。 v2.2 RapidToolTM工藝特點(diǎn)工藝特點(diǎn) 第二節(jié)第二節(jié) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) DTM公司的Sinterstation2500快速成型系統(tǒng)所使用材料最初是一些熱塑性材料，如PVC、PC、尼龍、蠟粉，以及用于制作殼型熔模鑄造模型的材料，后來(lái)成型材料又?jǐn)U展，現(xiàn)在可以成型的材料包括三大類(lèi)：丙烯酸基粉末（True Form PM）、由尼龍與玻璃珠強(qiáng)化尼龍組成的合成材料、聚合粘結(jié)劑預(yù)包裹的低碳鋼粉粒（例如：Rapid Steel2.0）。 RapidToolTM是利用

16、DTM公司的SLS（Selective Laser Sintering）系統(tǒng)的Sinterstation2500快速成型系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖9-6是實(shí)現(xiàn)RapidToolTM工藝的燒結(jié)設(shè)備。 v2.3 RapidToolTM工藝制模材料及設(shè)備工藝制模材料及設(shè)備 第二節(jié)第二節(jié) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 圖圖9-6 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)RapidToolTM工藝的燒結(jié)設(shè)備工藝的燒結(jié)設(shè)備第二節(jié)第二節(jié) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 圖圖 9-7 RapidtoolTM制模工藝制作的模具型芯制模工藝制作的模具型芯 圖9-7給出的是RapidtoolTM制模工藝制作的模具型

17、芯實(shí)例。v2.4 RapidToolTM工藝應(yīng)用工藝應(yīng)用 第二節(jié)第二節(jié) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 模具類(lèi)型模具成本/美元模具開(kāi)發(fā)周期/周模具壽命/件每件注塑件的成本/美元RapidToolTM注塑模20,0006750004.00傳統(tǒng)注塑模60,0001618250,0000.24 表9-1是根據(jù)Ford汽車(chē)制造公司的注塑工藝實(shí)踐得到的RapidToolTM工藝注塑模與傳統(tǒng)工藝注塑模相關(guān)參數(shù)的對(duì)比情況。表表9-1 RapidToolTM工藝注塑模與傳統(tǒng)工藝注塑模對(duì)比表工藝注塑模與傳統(tǒng)工藝注塑模對(duì)比表第二節(jié)第二節(jié) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) Ke

18、ltoolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) DirectToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 激光近成型技術(shù)激光近成型技術(shù) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù)13524第九章第九章 基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù)基于快速原型的鋼制硬模快速制造技術(shù) DirectToolTM法制模技術(shù)也稱(chēng)為直接金屬粉末激光燒結(jié)制模（Direct Metal Laser Sintering，DMLS，DirectToolTM），是利用德國(guó)EOS公司的選擇性激光燒結(jié)SLS設(shè)備直接進(jìn)行金屬模具的制造技術(shù)。 DirectToolTM工藝原理和

19、流程與RapidToolTM大體相似。不同的是該工藝材料使用范圍極其有限，所用材料為純金屬粉末，燒結(jié)坯不是靠有機(jī)粘結(jié)劑來(lái)粘結(jié)，而是靠金屬粉末的熔化而粘結(jié)在一起的，所以其燒結(jié)的激光器所需功率比較大，一般至少在200W以上。 同樣首先首先將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維實(shí)體模型進(jìn)行分層切片得到各層截面的輪廓，計(jì)算機(jī)據(jù)此信息有選擇性地?zé)Y(jié)粉選擇性地?zé)Y(jié)粉末材料末材料，形成一系列具有一個(gè)微小厚度的片狀實(shí)體，逐層堆積，形成原型件形成原型件；然后然后再將原型件滲入滲入適量的環(huán)氧樹(shù)環(huán)氧樹(shù)脂脂，以提高制件的抗彎強(qiáng)度。采用DirectToolTM制造的模具壽命可達(dá)15000件以上。 第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快

20、速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) v3.1 DirectToolTM工藝原理及流程工藝原理及流程 德國(guó)快速成型設(shè)備開(kāi)發(fā)商EOS公司開(kāi)發(fā)的SLS設(shè)備EOSINT M 250 Xtended，如圖所示，可以直接成形產(chǎn)品原型或制件，稱(chēng)為DirectPartTM，也可以直接成形制作模具型芯，稱(chēng)為DirectToolTM。其中DirectToolTM工藝可以直接制作250250185mm的金屬模具，精度可以達(dá)到0.1mm。 圖圖 9-8 EOSINT M 250 Xtended設(shè)備設(shè)備v3.2 DirectToolTM工藝制模設(shè)備工藝制模設(shè)備 第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù)

21、 圖圖 9-9 DirectToolTM制作的模具制作的模具 第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) DirectToolTM工藝所用合金粉末材料比較成功的有以下兩種： 1. DirectMetal 銅-鎳基混合粉 該合金混合粉末材料為瑞典Electrolux公司開(kāi)發(fā)的青銅和鎳合金粉末青銅和鎳合金粉末，具體成分為75青銅（Cu90-Sn10）、20鎳及5的磷銅，平均粒徑為35-40m。在選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中，相變產(chǎn)生的體積膨脹可以補(bǔ)償粉末在燒結(jié)過(guò)程中引起的收縮。即便燒結(jié)的金屬模具沒(méi)有產(chǎn)生明顯的尺寸收縮，燒結(jié)后仍然存在超過(guò)超過(guò)20的孔隙的孔隙。但是由于合金粉末材料中

22、含有的青銅的熔點(diǎn)為900，低于Cu的熔點(diǎn)1083，滲銅是不可以滲銅是不可以的。實(shí)踐證明，在其表面滲滲透一層高溫環(huán)氧高溫環(huán)氧樹(shù)脂樹(shù)脂，或或者滲入低熔點(diǎn)金屬滲入低熔點(diǎn)金屬（如錫），也同樣可以得到比較好的效果，可以用作注塑模、壓鑄模等。滲透前半成品的抗拉強(qiáng)度為150MPa，抗彎強(qiáng)度為300MPa，為了獲得盡可能高的精度，應(yīng)使燒結(jié)時(shí)無(wú)收縮，在這種v3.3 DirectToolTM工藝材料工藝材料 第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 條件下，半成品的孔隙率為25%左右。滲透后處理時(shí)，只對(duì)模具施加低熱，因此，不會(huì)影響工件的精度，并能使抗彎強(qiáng)度提高到約為400MPa，表面光

23、滑（粗糙度Ra=3.5m，手工拋光后可使Ra1m），硬度達(dá)到HB108，熱導(dǎo)率達(dá)到110W/(mk)。滲透是借助毛細(xì)管作用實(shí)現(xiàn)的，所以，僅需將半成品的尾部浸入樹(shù)脂液中，滲透過(guò)程需要半個(gè)小時(shí)，然后在160的烘箱中進(jìn)行后固化約2h。先將半成品與樹(shù)脂預(yù)熱至60，能加速上述過(guò)程，并減少模具中殘存的孔隙。 當(dāng)參數(shù)選擇恰當(dāng)時(shí)，由激光液相燒結(jié)導(dǎo)致的工件典型收縮，能完全由所含成分?jǐn)U散造成的材料體積膨脹來(lái)補(bǔ)償，因此，在激光燒結(jié)過(guò)程中，材料的凈體積變化幾乎為零，從而使?jié)B透樹(shù)脂后的模具相對(duì)精度能達(dá)到0.050.1%。 由于激光聚焦后的光斑尺寸只有350m，激光掃描速度高達(dá)300800mm/s，因此加熱的持續(xù)時(shí)間足夠

24、短，即使沒(méi)有惰性氣體的保護(hù)，第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 也能避免模具被氧化。材料中所含的磷也有助于阻止粉末材料被氧化，并能夠改善固態(tài)顆粒在熔化階段的濕潤(rùn)性。 圖9-10所示為使用EOSINT M250 Xtended成型設(shè)備，以DirectMetal 20為成型材料制作的某種門(mén)鎖。 圖圖9-10 以以DirectMetal 20為成型材料制作的門(mén)鎖為成型材料制作的門(mén)鎖第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 2. DirectSteel 鋼-青銅-鎳基混合粉 DirectSteel 鋼-青銅-鎳基混合粉常用的有50-V1、5

25、0-V2和100-V3三種牌號(hào)。這種合金粉末材料里面不含有有機(jī)成分，粒徑約為50m。這種合金粉末不必進(jìn)行后燒結(jié)與滲銅（或錫、高溫樹(shù)脂等），即可用作注塑模、壓鑄模等。其中使用50-V1牌號(hào)的合金粉末所燒結(jié)成型的模具具有500MPa的抗拉強(qiáng)度、HB6080的硬度，用這種材料燒結(jié)的注塑模能注射幾千件塑料件，燒結(jié)的壓鑄模能鑄造幾百件金屬件，而模具無(wú)任何磨損的痕跡。采用附加的表面涂覆處理后，還能進(jìn)一步提高模具的壽命，例如，電鍍1030m厚的鎳，可以使其表面硬度達(dá)到HV512，與硬化鋼相當(dāng)。 牌號(hào)為50-V2的DirectSteel合金粉末，可以用來(lái)制作小批量的功能原型件，由該材料制成的模具，除了有較好的

26、機(jī)械性能外，還具有極好的精度和表面光潔度。牌號(hào)為100-V3的DirectSteel合金粉末能夠快速地被燒結(jié)成為鋼質(zhì)硬模，并有較好的機(jī)械性能，較高的精度，以及良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面光潔度。 第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 圖圖9-11 以以DirectSteel合金粉為材料制作的高爾夫球模具及由模具制得的高爾夫球合金粉為材料制作的高爾夫球模具及由模具制得的高爾夫球 圖9-11所示為使用EOSINT M250 Xtended為成型設(shè)備，使用某種牌號(hào)的DirectSteel合金粉末為成型材料制作的高爾夫球模具及由模具制得的高爾夫球，該套模具可以生產(chǎn)兩千萬(wàn)個(gè)高爾夫

27、球，比傳統(tǒng)的模具提高了20%的生產(chǎn)效率。 第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 比利時(shí)金屬成形研究中心（Research Center of Belgian Metal-working Industry）同樣采用EOSINT-M設(shè)備制作了某玩具塑料殼體注射模具，具體的制作時(shí)間如表9-2所示。整個(gè)周期為10個(gè)工作日，其中包括500件制品的生產(chǎn)。原來(lái)采用鋁模制作的時(shí)間為26天，不但時(shí)間縮短了一半以上，而且成本也降低了原來(lái)的一半以上。 表表9-2 DirectToolTM工藝制作某玩具注射模的時(shí)間工藝制作某玩具注射模的時(shí)間工序時(shí)間/h工序時(shí)間/hSLS 制作型腔25機(jī)

28、加工12人工處理7頂桿、澆道等制作8浸環(huán)氧樹(shù)脂6第三節(jié)第三節(jié) Direct ToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) KeltoolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) DirectToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 激光近成型技術(shù)激光近成型技術(shù) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù)13524第九章第九章 基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù)基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù)第四節(jié)第四節(jié) 激光近成型激光近成型技術(shù)技術(shù) 激光近成型技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping, LENSTM）是將激光熔覆技術(shù)和

29、快速原型及制造技術(shù)相結(jié)合的一種先進(jìn)的制造技術(shù)。該技術(shù)由美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)，其成型系統(tǒng)主要由激光能源系統(tǒng)、金屬粉送進(jìn)系統(tǒng)和惰性環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)組成。 LENSTM激光近成型技術(shù)基于一般快速原型原理，首先是在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD模型，然后將該模型按照一定的厚度分層“切片”，即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維輪廓信息，再由金屬粉送進(jìn)系統(tǒng)向被激光熱能熔化了的在墊板上形成的金屬熔池噴射金屬粉，按照二維輪廓軌跡在沉積墊板上逐層堆積金屬粉末材料，光斑離開(kāi)后金屬粉末凝固成型，最終形成致密的三維金屬模件。 成型墊板在X-Y平面內(nèi)受三維CAD模型的切片輪廓數(shù)據(jù)控制而運(yùn)動(dòng)，而Z向運(yùn)動(dòng)是由激光束及

30、送粉機(jī)構(gòu)的共同運(yùn)動(dòng)形成的。其中X-Y平面的成型精度為0.05mm，Z向成型精度為0.5mm。v4.1 激光近成型技術(shù)基本原理激光近成型技術(shù)基本原理 圖圖9-12 LENSTM激光近成型技術(shù)成型示意圖激光近成型技術(shù)成型示意圖 第四節(jié)第四節(jié) 激光近成型激光近成型技術(shù)技術(shù) LENSTM激光近成型技術(shù)較傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)主要優(yōu)勢(shì)為： 加工成本低，沒(méi)有前后的加工處理工序； 所選熔覆材料廣泛，且可以使模具有更長(zhǎng)的使用壽命； 幾乎是一次近成形，材料利用率高； 準(zhǔn)確定位且面積較小的激光熱加工區(qū)以及熔池可以得以快速冷卻，是 LENSTM激光近成型系統(tǒng)最大的特點(diǎn)，一方面可以減少對(duì)工作底層的影響，另一方面

31、可以保證所成型的部分有精細(xì)的微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)，成型件致密，保證有足夠好的強(qiáng)度和韌性。 該工藝和激光焊接及激光表面噴涂相似該工藝和激光焊接及激光表面噴涂相似，成型要在由氬氣保護(hù)的密閉倉(cāng)中進(jìn)行。保護(hù)氣氛系統(tǒng)是為了防止金屬粉末在激光成型中發(fā)生氧化，降低沉積層的表面張力，提高層與層之間的浸潤(rùn)性，同時(shí)有利于提高工作環(huán)境的安全。 第四節(jié)第四節(jié) 激光近成型激光近成型技術(shù)技術(shù) v4.2 激光近成型技術(shù)特點(diǎn)激光近成型技術(shù)特點(diǎn) 圖9-13所示為某型號(hào)LENSTM成型系統(tǒng)設(shè)備，圖9-14為其中四個(gè)金屬粉噴嘴噴射金屬粉且被激光進(jìn)行熔化的工作現(xiàn)場(chǎng)。該設(shè)備采用5KW的HLJ-4工業(yè)用橫流CO2激光器為能量源，JGXK-1型激

32、光功率顯示控制儀控制激光功率，離焦量可調(diào)；送粉系統(tǒng)為DPSF-3型送粉器，側(cè)向送粉，傾斜角度約為40，噴嘴內(nèi)徑2.2mm，送粉量可調(diào)。目前已經(jīng)商品化的激光近成型系統(tǒng)主要有FS-Realizer SLM、Lens 750及Lens 850等，其主要性能指標(biāo)如表9-3所示。v4.3 激光近成型技術(shù)制模設(shè)備及應(yīng)用激光近成型技術(shù)制模設(shè)備及應(yīng)用 圖圖 9-14 激光熔化金屬粉形成熔池激光熔化金屬粉形成熔池 圖圖 9-13 某型號(hào)某型號(hào)LENSTM成型系統(tǒng)設(shè)備成型系統(tǒng)設(shè)備 第四節(jié)第四節(jié) 激光近成型激光近成型技術(shù)技術(shù) FS-Realizer SLMLens 750Lens 850制造商制造商F&S

33、StereolithographietechnikOptomec成型空間成型空間/inch63.031.570.9524182444882設(shè)備重量設(shè)備重量/lbs.176025003500功率功率/kW320（500W激光器）激光器）40（1000W激光器）激光器）成型室溫度成型室溫度/20-2510-4010-40相對(duì)濕度相對(duì)濕度/%4530-9030-90水平輪廓精度水平輪廓精度/inch0.0020.0020.002水平重復(fù)精度水平重復(fù)精度/inch0.000080.0020.002Z向輪廓精度向輪廓精度/inch0.0020.020.02Z向重復(fù)精度向重復(fù)精度/inch0.0020.0

34、20.02模型最大尺寸模型最大尺寸/inch9.89.89.8121212181842表表9-3 部分激光激光近成型系統(tǒng)主要性能指標(biāo)部分激光激光近成型系統(tǒng)主要性能指標(biāo)第四節(jié)第四節(jié) 激光近成型激光近成型技術(shù)技術(shù) 目前LENSTM激光近成型工藝可以成型的材料主要有316不銹鋼、鎳基耐熱合金Inconel625、H13工具鋼、鈦和鎢。 LENSTM激光近成型工藝一般用來(lái)制造高密度的鑄模，圖9-15是通過(guò)LENSTM制造的一些鑄模。另外LENSTM工藝也可以對(duì)一些金屬物件進(jìn)行修補(bǔ)，例如修補(bǔ)飛機(jī)的噴射葉片，可以利用激光將金屬粉末噴涂在葉片損壞的地方。 圖圖 9-15 LENSTM工藝制造的鑄模工藝制造的

35、鑄模第四節(jié)第四節(jié) 激光近成型激光近成型技術(shù)技術(shù) KeltoolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) RapidToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) DirectToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 激光近成型技術(shù)激光近成型技術(shù) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù)13524第九章第九章 基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù)基于快速原型的鋼制硬?？焖僦圃旒夹g(shù)第五節(jié)第五節(jié) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)是Hasbro玩具公司與Laser Fare公司合作開(kāi)發(fā)的一種制作具有共形冷卻道的鎳-銅殼（Ni-Cu/CCC）

36、模具的技術(shù)，專(zhuān)稱(chēng)為ExpressToolTM。ExpressToolTM 法快速電鑄鎳銅復(fù)合殼模是一種批量生產(chǎn)用模具。它先在原型表面電鑄鎳殼，然后設(shè)置共形冷卻道，再電鍍銅殼，并澆注背襯而構(gòu)成的模具。其核心是采用了電鑄鎳-銅復(fù)合殼，以及共形冷卻道。此種模具可批量生產(chǎn)注塑件。 （1）原型制作與噴涂 用CAD軟件設(shè)計(jì)模型，并用機(jī)加工或快速原型方法制作原型，且對(duì)原模進(jìn)行涂覆處理。如圖9-16所示。圖圖 9-16 原型制作與噴涂原型制作與噴涂v5.1 ExpressToolTM法制模工藝流程法制模工藝流程 對(duì)原型進(jìn)行涂覆的目的是使原型可以導(dǎo)電，常用的涂覆處理方法有如下兩種： 用雙噴嘴的噴槍噴涂硝酸銀與還

37、原劑。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能形成均勻且厚度僅為幾微米的導(dǎo)電層，對(duì)原型的精度影響甚微。 簡(jiǎn)單地在原型上涂一層銀漆，但需要注意的是，若其厚度超過(guò)25m，就會(huì)影響到原型的精度。（2）電鑄鎳層圖圖 9-17 電鑄鎳層電鑄鎳層 將已涂覆的原型作陰極，鎳作陽(yáng)極，在鎳電鑄槽中，進(jìn)行電鑄鎳殼，如圖9-17所示。當(dāng)電鑄的鎳殼足夠厚（一般為2mm）后，從電鑄槽中取出原型及仍與其相連的鎳殼，并將它們置于清水中沖洗，然后晾干。第五節(jié)第五節(jié) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) （3）設(shè)置共形冷卻道 置冷卻道于鎳殼的背面，并彎曲冷卻道，以便使其與注塑件的主輪廓形狀共形，如圖9-18所示。 圖圖 9-18

38、設(shè)置共形冷卻道設(shè)置共形冷卻道常規(guī)冷卻道不足：常規(guī)冷卻道不足：注塑模中通常須設(shè)置冷卻道，傳統(tǒng)冷卻道為鉆削式（Drilled Cooling Channel，DCC），即用鉆頭加工成的一系列互連、直線(xiàn)排列的圓截面通道，這種冷卻道形狀簡(jiǎn)單，機(jī)加工方便，但是冷卻效率低，無(wú)法消除因冷卻不均而帶來(lái)的制件翹曲變形。共形冷卻道優(yōu)點(diǎn)：共形冷卻道優(yōu)點(diǎn)：ExpressToolTM工藝中共形冷卻道（Conformal Cooling Channel，CCC）的布置與注塑件的主輪廓形狀近似，其截面形狀可為橢圓等。這種冷卻道不僅能提高冷卻效率，縮短注塑循環(huán)周期（一般為3050%），而且可顯著縮小模面上的溫差，減小工件中的

39、內(nèi)應(yīng)力與翹曲變形，提高工件的品質(zhì)。顯然，共形冷卻道的優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)突出，但是，如果要用傳統(tǒng)的機(jī)加工方法，在一整塊鋼材中制作這樣復(fù)雜的冷卻道是很困難的，而ExpressToolTM 法快速電鑄鎳銅復(fù)合殼模的特殊結(jié)構(gòu)卻可以十分方便地制作共形冷卻道。第五節(jié)第五節(jié) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) （4）電鑄銅層 將電鑄的鎳殼與相連的原模，以及已定位的共形冷卻道，置于銅電鍍槽中，進(jìn)行鍍銅，這樣注射塑料的熱量可通過(guò)鎳殼與銅層，直接傳至冷卻道，然后通過(guò)對(duì)流而排出，如圖9-19所示。 目前，ExpressToolTM 法快速電鑄鎳銅復(fù)合殼模壽命已達(dá)270,000次注射而無(wú)脫層問(wèn)題。 圖圖 9-19 電鑄鍍銅電鑄鍍銅第五節(jié)第五節(jié) ExpressToolTM法快速制模技術(shù)法快速制模技術(shù) 使用電鍍銅的原因如下使用電鍍銅的原因如下：與電鍍鎳相比，電鍍銅更快，能縮短制作周期。銅的熱導(dǎo)率比鎳高得多，因此，能加快工件冷卻，縮短注塑循環(huán)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，并能提高模具壽命。薄鎳層背面的電鍍銅層是良好的控溫體。 電鍍銅有良好的抗壓強(qiáng)度（280360MPa）。電鍍銅的線(xiàn)膨脹系數(shù)為16.510-6K-1，非常接近電鑄鎳的線(xiàn)膨脹系數(shù)13.610-6K-1