快速制模硬模

快速制模硬模第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一硬模通常指的是用間接方法制造金屬模具和用快速成形直接制作金屬模具。目前可以用金屬粉末選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）直接制造金屬零件或金屬模具。用快速成形技術(shù)直接制硬模

第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一間接方式制造硬模所謂間接方式，是先利用快速成形技術(shù)加工出非金屬材料的原型，然后借助其他技術(shù)將這些非金屬原型翻制成金屬零件或金屬模具。第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一直接制造金屬模具常見的幾種快速成形方法中，可以直接制作金屬模具的主要是選擇性激光燒結(jié)法（SLS）。將金屬粉末用易消失性聚合物包覆，通過選擇性激光燒結(jié)得到金屬粘結(jié)實(shí)體，在一定溫度下使樹脂分解消失，然后使成形的金屬粉在高溫下燒結(jié)而得到金屬的燒結(jié)件，這種燒結(jié)件往往是低密度的多孔狀結(jié)構(gòu)，為此可以滲入第二相熔點(diǎn)較低的金屬后直接形成金屬模具。用這種方法制作的鋼銅合金注塑模，壽命可達(dá)５萬件以上。另外，采用金屬箔作為LOM造型材料可以直接加工出實(shí)型鑄造用EPS氣化模，可批量生產(chǎn)金屬鑄件。若用金屬材料作為FDM的造型材料，也可以直接形成金屬模具。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一金屬粉末的選擇性激光燒結(jié)制作模具的方法，按其使用金屬粉末的組成情況，有以下3種：（1）直接法：金屬粉末為單一的金屬粉末。一般來說，燒結(jié)單一金屬粉末需要高功率的激光器，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)。這樣燒結(jié)出的模具機(jī)械強(qiáng)度高，再經(jīng)熱均衡壓處理（HotIsostaticPressing，簡(jiǎn)稱HIP），可使模具的最后相對(duì)密度達(dá)到99.9％，機(jī)械強(qiáng)度可顯著提高。鑄鎂模具的鑲塊第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一直接金屬激光燒結(jié)一般采用青銅基的粉末材料?，F(xiàn)已開發(fā)出兩種粒度的粉末材料（即DirectMetal50-V2和DirectMetal100-V3）以適應(yīng)不同層厚的燒結(jié)工藝，其中，粒度非常細(xì)（最大50m）的粉末用于0.05mm的層厚，而粒度較大（最大100m）的粉末用于0.1mm的層厚。激光燒結(jié)鋼粉末材料的一些特性項(xiàng)目激光燒結(jié)鋼粉末（DirectSteel50-V1）極限拉伸強(qiáng)度500N/mm2布氏硬度150-200HB最小孔隙率5%最高操作溫度850°C線性熱膨脹系數(shù)14.5×10-6m/mK(20-700°C)第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一（2）間接法金屬粉末為兩種金屬粉末的混合體，一種熔點(diǎn)較低，而另一種熔點(diǎn)較高。按照一定的比例混合兩種金屬粉末，并將粉末預(yù)熱到某一溫度（低于低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)），再用中功率激光器進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)，將低熔點(diǎn)金屬熔化，熔化的金屬將高熔點(diǎn)的金屬粉末粘結(jié)在一起。模具強(qiáng)度較低，需經(jīng)過后處理，如進(jìn)行液相燒結(jié)（LiquidPhaseSintering，簡(jiǎn)稱LPS）以增加強(qiáng)度。第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一（1）金屬作為粘接劑的SLS間接法燒結(jié)制模主要采用兩種不同熔點(diǎn)金屬粉末的混合體進(jìn)行SLS燒結(jié)來制作模具。英國Manchester大學(xué)的學(xué)者對(duì)50％壓縮銅粉和50％錫粉的混合物進(jìn)行SLS燒結(jié)，在燒結(jié)前先對(duì)粉末基底進(jìn)行壓縮，這樣燒結(jié)出的模具可以減少收縮，成形模具的密度是未進(jìn)行壓縮時(shí)的兩倍。第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一還可對(duì)Cu-Solder(70Pb-30Sn)、Ni-Sn，Sn和Solder等雙金屬粉末材料進(jìn)行燒結(jié)，但燒結(jié)出的金屬模具強(qiáng)度很低，性能比較差。為了提高燒結(jié)件的性能，就必須提高低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)?？捎萌埸c(diǎn)接近或超過1000℃的材料作為粘接劑，如Bronze-Ni、StainlessSteel-Cu、Steel-Cu、Steel-Bronze、316LStainlessSteel、M2HighSpeedSteel等混合材料都可進(jìn)行成功的燒結(jié)。第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一復(fù)雜冷卻水道與模具型芯一次成型改善冷卻效果，減少變形，提高模具壽命注射效率可由每分鐘5次提高到6次（提高20%）第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一具有隨形冷卻水道的注塑模具CAD模型用SLS方法制造的具有隨形冷卻水道的注塑模具模架組裝批量生產(chǎn)的香盒注塑零件具有隨形冷卻水道的注塑模具CAD模型第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一也有使用金屬基陶瓷粉末作為SLS燒結(jié)結(jié)構(gòu)材料方面的研究。由于金屬基陶瓷的熔點(diǎn)很高，可選用中、高溫熔點(diǎn)的金屬粉末材料作為粘接劑。金屬粉末材料（熔點(diǎn)都超過1000℃）和金屬基陶瓷粉末混合均勻，燒結(jié)時(shí)需要使用大功率的激光能量，才能將中、高溫熔點(diǎn)的金屬粉末熔化，來粘結(jié)金屬基陶瓷使其成形。目前已成功燒結(jié)了WC-Co-Ni、TiB2-Ni、WC-Co、Al2O3-Al、WC-9Co、TiC/Cu-W等材料。第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一（2）有機(jī)材料作為粘接劑的SLS間接法燒結(jié)制模

間接法使用的材料中，以高分子聚合物的有機(jī)材料為粘接劑的研究比較多，應(yīng)用前景很好。結(jié)構(gòu)材料主要是不銹鋼、銅和鎳等金屬粉末，粘接劑聚合物采用熱塑性材料。有兩類熱塑性聚合物可以用做SLS燒結(jié)材料中的粘接劑，一類是無定型材料，另一類是結(jié)晶型材料。無定型材料分子鏈上分子的排列是無序的，如PC材料等；結(jié)晶型材料分子鏈上分子的排列是有序的，如尼龍（nylon）材料等。材料實(shí)際上是金屬粉末和有機(jī)樹脂粘接劑的混合體，按一定配比混合均勻，采用小功率激光器對(duì)混合粉末中的有機(jī)樹脂粘接劑熔化，這些熔化的有機(jī)樹脂粘接劑能將金屬粉末粘結(jié)在一起。由于小功率的激光器成本低，成形比較容易控制，因此，目前關(guān)于這類材料的研究較多，技術(shù)也較成熟。燒結(jié)好的模具也需要進(jìn)行后續(xù)處理——高溫?zé)Y(jié)進(jìn)行降解。這樣既除去了有機(jī)樹脂粘接劑，也提高了零件的機(jī)械性能和力學(xué)性能。第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一材料LaserFormA6，是2003年最新研制的，它的金屬粉末顆粒最小直徑可達(dá)到10-11mm，比RapidSteel2.0的粉末顆粒直徑還小，這有利于成形件的表面處理，同時(shí)也簡(jiǎn)化了粘接劑的降解和滲金屬的工藝，有利于保證成形模具的形狀、尺寸精度。該材料主要用于制造注塑模，制成的模具生產(chǎn)了1萬件塑料產(chǎn)品還沒有磨損。

采用LaserFormA6制作的注塑模具鑲塊第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一鼠標(biāo)模具第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一覆膜金屬粉末的制備覆膜金屬粉末就是金屬粉末和有機(jī)樹脂（熱溶膠）按一定比例在高速混合機(jī)內(nèi)充分混合，然后用雙螺桿擠出機(jī)擠出，再經(jīng)粉碎、過篩后制得的粉末材料。熱溶膠的稀釋金屬粉末的清潔混合、攪拌干燥破碎分篩覆膜金屬粉末制備工藝流程圖第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一金屬粉末覆膜前后的SEM照片（a）覆膜前(300×)（b）覆膜后(300×)第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一激光燒結(jié)金屬粉末顆粒外層均勻地包覆一層有機(jī)樹脂，可以用小功率激光器來燒結(jié)覆膜金屬粉末。當(dāng)SLS燒結(jié)時(shí)，激光作用在粉末上的能量只是把金屬顆粒包覆層的有機(jī)樹脂熔化，而金屬顆粒并沒有發(fā)生任何變化，熔化的有機(jī)樹脂冷卻后把周邊的顆?；ハ嗾辰Y(jié)在一起而形成燒結(jié)體。

金屬粉末有機(jī)樹脂覆膜金屬粉末示意圖燒結(jié)原理圖第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

后處理燒結(jié)工藝

激光燒結(jié)成形的金屬模具強(qiáng)度不是很高，必須進(jìn)行后處理，才能成為結(jié)構(gòu)致密的實(shí)用模具。后處理一般有三步：降解聚合物、高溫二次燒結(jié)和滲金屬，這三個(gè)階段可以在同一個(gè)加熱爐中進(jìn)行，也可把滲金屬放在不同爐子中進(jìn)行。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一用SLS技術(shù)制造鑄造砂型

設(shè)計(jì)制造零件的模具設(shè)計(jì)制造該模具的鑄型用三維CAD軟件建立該鑄型的數(shù)字模型，生成STL格式文件用SL