第六章 基于快速原型的金属钢质硬模快速制造技术

微细与特种加工

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第六章

基于快速原型的金属钢质硬模快速制造技术

金属钢质硬模的直接快速制造，是快速原型技术向快速制造技术的转变， 是国内外RP及RT领域内研究的热点及发展方向。这是由于金属钢质硬模制 作的快速性，可以使得设计人员想象中的概念模型快速地转换成为试验产品， 而试验产品一旦成功，人们又可以利用金属钢质模的刚度与硬度大批量地投 入生产，使产品快速占领市场，为企业赢得先机。 金属钢质硬模的直接快速制造技术将快速原型技术的快速性及可以制作 几何形状极其复杂零件或模具的优越性与机械制造方法(如CNC机床)、电 加工制造方法、粉末冶金方法所能实现的高强度、高精度、高表面质量的优 越性结合起来。一船认为，若能实现模具强度不低于500MPa,精度不低于 0.01mm,表面租糙度值小于Ra 20 µm,那么该技术便可为工业界所接受并 可大面积用于工业生产。 目前，可以制得金属钢质硬模的工艺方法有：KeltoolTM法快速制模、间 接金属粉末激光烧结成型制模(RapidToolTM)、直接金属粉末激光烧结制 模(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)、激光近成型技术(Laser Engineered Net Shaping, LENSTM)、ExpressToolTM法快速制造镍和铜复合壳 模、镍和陶瓷混合物模具制造技术(NCC Tooling)、气相沉积镍壳-背衬模、 熔模铸造金属模制造工艺、直接金属三维打印制模技术等。

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第一节 KeltoolTM法快速制模技术KeltoolTM法快速制模技术由美国3D Systems公司开发成功，后转让给美 国Keltool公司。KeltoolTM法制模技术实际上是一种粉末冶金工艺。

一、 KeltoolTM法基本原理及工艺流程首先以三维CAD软件设计概念原型(包括型腔和型芯)并保存为STL 文件，然后将STL格式文件传送至快速原型系统来制造原始原型；然后利 用原始原型制得硅橡胶软模；接下来在真空无压状态下向硅橡胶软模内浇 注由两种不同成分，不同粒径组成的双形态混合金属粉末与有机树脂粘结 剂按一定比例组成的混合物，固化原型后制得待烧结坯；然后将待烧结坯 放置于有氢气气氛的烧结炉内进行烧结，在烧结过程的低温阶段，粘结剂 被烧除并由流动的氢气带走；再继续升温烧结，将纯金属粉末烧结在一起， 从而制得孔隙分布均匀的骨架状坯体；最后，向骨架状坯体中渗入另一种 金属(一般为铜),使之成为完全致密的金属模具。由此工艺所制得

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的金属钢质硬模一般为70%的双形态混

合金属和30%的铜，其硬度可以因 双形态混合金属的成分不同而不同。比如由A6模钢粉末及碳化钨粉末组成 的双形态混合铁粉作为基体并经过渗铜致密和热处理后得到的钢质硬模， 硬度可达46-50Rc。

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二、 KeltoolTM法的工艺特点KeltoolTM法快速制模一般使用以WC粉末和A6工具钢粉末组成的双形态 混合粉末为基体材料，上述这种双形态混合粉末中，精细研磨的WC颗粒， 直径约为1-4µm(平均有效粒径为2.5µm),一般为多边形或粒状；A6工具 钢粉末直径为20-38µm(平均有效粒径为27µm)。与简单地采用单一形态的 粉末相比，这种双形态混合颗粒的优点如下： ① 粗细粒径比大于7,因此双形态包的密度高得多。 ② 精细的WC颗粒能填充较大A6工具钢颗粒之间的空隙。 ③ 粘结剂的密度小的多，在还原炉中需要去除的粘结剂较少。 ④ 烧结过程中平均收缩率较小，提高精度。 ⑤ 充分发挥了各组分的特点，比如粒径较小的WC颗粒能提高表面光洁度， 且能改善镶块的耐磨性，粒径较大的A6工具钢颗粒则可以提供良好的韧性。

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该工艺的主要优点： 该工艺的主要优点：① 以KeltoolTM制成的耐用钢模材料为70%A6工具钢粉末及碳化钨和30%铜，A6模钢 有良好的抗磨和低扭曲性，而碳化钨的硬度和耐久性极佳，铜原料则能够提高强度 和导热率。 ② 其硬度为30-34Rc,热处理后为46-50Rc,具有非常好的模具寿命，可达1百万件以 上。 ③ 工艺流程简单，制作快速。 ④ 只要温度控制精确，可以将烧结和渗铜连续进行，节约成本，缩短制作时间，而 且减少因温度变化而引起的收缩和变形。

该工艺的主要缺点： 该工艺的主要缺点：① 所需材料要求粒度较细，且对粘结剂的粘结性、流动性、固化性等性能有很严格 的要求。 ② 所用母模(模具负型)没有足够的强度和硬度，故成形的模具精度不够高。 ③ 模具生产周期较长，平均为4周，其中制作型芯件需要8~10天，而且型芯件的尺 寸较小，一般在152mm×203mm×101mm以下。

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三、 KeltoolTM法应用KeltoolTM法快速制模成型工艺适合生产低公差、精细的模具，其尺寸精 度为250mm土0.04mm。图6-3给出的是采用Keltool方法制作的模具型腔及装 配的模具。图6-4给出的是采用KeltoolTM工艺制作的模具及利用该模具生产 的制品。

a) Keltool型腔

b) Keltool型腔固定于模架上

图6-3 KeltoolTM法制作的

模具

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图6-4 KeltoolTM法制作的模具及相应的注塑件

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第二节 Rapid toolTM法快速制模技术RapidToolTM法制模技术也称为间接金属粉末激光烧结制模，是由美国 DTM公司开发的一种用于快速模具的粉末成型技术。该成型技术是依据 Texas大学获得的专利技术为基础致力于粉末类快速原型机器的研发与生 产之后开发成功的。

一、 RapidToolTM工艺原理及流程RapidToolTM方法的工艺过程原理如图6-5所示。具体过程为：首先利用 CO2 激 光 照 射 外 层 包 有 粘 结 剂 的 金 属 粉 末 使 粉 末 粘 结 成 为 半 成 品 。 RapidToolTM工艺采用50WCO2激光器，所用成型材料中的粘结剂为热塑性 聚合物，颗粒粒径约为5µm,被预先包裹在低碳钢粉颗粒上，低碳钢粉颗 粒粒径约为55µm。粘结剂被激光熔化后，使准球形钢粉颗粒固定在一起， 成为半成品。在这种状态下，半成品相当脆，其强度仅为3MPa,因此必 须小心处理，以免损伤薄弱部位。

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其次，将半成品进行烧结处理。将半成品置于含有25%氢气和75%氮 气的电炉中。炉温大约在700℃时，粘结剂几乎全部被去除，最初的还原物 为甲烷，将随过量的氮气与氢气一起从炉内排出。在高温下，最终的燃烧 产物主要是二氧化碳和水蒸气。由于任何燃烧过程都不可能很完全，因此， 也会产生微量的一氧化碳与多种氮氧化物，但是，它们的含量很低，与大 量的空气混合后，CO与NOx的浓度足够小，从而能符合最严格的环境保护 要求。此外，由于任何氧化过程都不会很完全，会存在少量的碳渣，它会 起胶粘作用，暂时协助粘合钢粉颗粒。这样烧结后制得含有60%体积金属， 以及40%体积空隙的钢骨架半成品。 然后，将钢骨架半成品进行渗铜处理。继续将钢骨架半成品放入充 以70%氮气和30%氦气的加热炉内，并在适当位置摆设铜砖，之后，升温至 铜的熔点以上，低碳钢颗粒的熔点之下，大约1120℃时，在制品下面的铜 砖开始熔化并因毛细管现象渗入钢骨架中因粘结剂蒸发所遗留下来的空隙， 得到无孔隙的全致密的模具。 最后再将此全致密的模具进行一些后处理的工作如加工入料孔、冷 却水孔、顶出孔等，便完成了用于注射成型模具型芯的制作，然后直接安 装在模座上，便可以在注射成型机上进行批量制品的生产。

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二、RapidtoolTM工艺特点该方法所得到的型芯由60%的钢和40%的铜所组成，在炉中的总线收缩 率为2.5~3.5%,硬度可达HRC27,材料机械性能优于Al7075,寿命可超过 50000件。RapidToolTM工艺的优点为：

制作过程快速(约5~15工作日); 模具型芯中含有40%或45%的铜，注射模具的冷却效果好，循环时间可大大缩短； 模具寿命长； 可使用传统工具进行机加工。 该快速模具工艺方法的缺点是在1120℃渗铜时会因高温导致制件变形。

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三、RapidtoolTM工艺制模材料及设备DTM公司的Sinterstation2500快速成型系统所使用材料最初是一些热塑 性材料，如PVC、PC、尼龙、蜡粉，以及用于制作壳型熔模铸造模型的材 料，后来成型材料又扩展，现在可以成型的材料包括三大类：丙烯酸基粉末 (True Form PM)、由尼龙与玻璃珠强化尼龙组成的合成材料、聚合粘结剂 预包裹的低碳钢粉粒(例如：Rapid Steel2.0)。

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RapidToolTM是利用DTM公司的SLS(Selective Laser Sintering)系统的 Sinterstation2500快速成型系统来实现的。图6-6是实现RapidToolTM工艺的 烧结设备。

图6-6 实现RapidToolTM工艺的烧结设备

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四、RapidtoolTM工艺应用

RapidtoolTM制模工艺制作的模具型芯

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表6-1是根据Ford汽车制造公司的注塑工艺实践得到的RapidToolTM工艺 注塑模与传统工艺注塑模相关参数的对比情况。

表6-1 RapidToolTM工艺注塑模与传统工艺注塑模对比表模具成本 /美元 20,000 60,000 模具开发周 期/周 6~7 16~18 模具寿 命/件 5000 250,000 每件注塑件的 成本/美元 4.00 0.24

模具类型 RapidToolTM注 塑模 传统注塑模

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第三节 Direct ToolTM法快速制模技术DirectToolTM 法制模技术也称为直接金属粉末激光烧结制模(Direct Metal Laser Sintering,DMLS,DirectToolTM),是利用德国EOS公司的选 择性激光烧结SLS设备直接进行金属模具的制造技术。

一、 DirectToolTM工艺原理及流程DirectToolTM工艺原理和流程与RapidToolTM大体相似。不同的是该工艺 材料使用范围极其有限，所用材料为纯金属粉末，烧结坯不是靠有机粘结 剂来粘结，而是靠金属粉末的熔化而粘结在一起的，所以其烧结的激光器 所需功率比较大，一般至少在200W以上。 同样首先将计算机内的三维实体模型进行分层切片得到各层截面的轮 廓，计算机据此信息有选择性地烧结粉末材料，形

成一系列具有一个微小 厚度的片状实体，逐层堆积，形成原型件；然后再将原型件渗入适量的环 氧树脂，以提高制件的抗弯强度。采用DirectToolTM制造的模具寿命可达 15000件以上。

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二、 DirectToolTM工艺制模设备德国快速成型设备开发商 EOS公司开发的SLS设备 EOSINT M 250 Xtended,如图 所示，可以直接成形产品原型 或制件，称为DirectPartTM,也 可以直接成形制作模具型芯， 称为DirectToolTM。其中 DirectToolTM工艺可以直接制 作250×250×185mm的金属模 具，精度可以达到±0.1mm。

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DirectToolTM制作的模具

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4bvq.html