具有内置随形冷却水道的注塑模具快速制造汇总

1、第 26卷第 5期粉末冶金技术 Vol 26,No 5 2008年 10月 PowderMetallurgyTechnologyOct 2008 具有内置随形冷却水道的注塑模具快速制造 * 刘锦辉 1),2)* 史玉升 2) 陈继兵 2)1) (黑龙江科技学院机械工程学院 ,哈尔滨 150027)2) (华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 ,武汉 430074) 摘 要: 采用选择性激光烧结 (SLS)技术烧结混加高分子粘结剂粉末的普通铁粉成形 注塑模具形坯 ,而后形坯经过脱脂、高温烧结、浸渍改性环氧树脂和浸渍后树脂的 固化完成注塑模具制造。笔者对模具的强度和精度进行了分析研究。该方

2、法综合 了快速成形制造 (RapidPrototyping&Manufacturing,RP&M) 技术的快捷性和 SLS 技 术自身的优点 ,既可以缩短制造注塑模具的周期 ,又能够随塑料件的形状轮廓设置 模具中的冷却水道 ,从而既加快了商家对于市场需求的反应速度 ,又提高了注塑效 率和注塑件的质量 ,是一种快速制造适合小批量生产的注塑模具的切实可行的方 法。关键词:快速制造;选择性激光烧结 ;注塑模具 ;随形冷却水道 Rapidmanufactureinjectionmouldwithbuilt in conformalcoolingchannelsLiuJinhui1),2

3、),ShiYusheng2),ChenJibing2) 1)(CollegeofMechanicalEngineering,HeilongjiangUniversityofScience andTechnology,Harbin150027,China) 2)(StateKeyLaboratoryofPlasticFormingSimulationandDie&MouldTechnology,Schoolo fMaterialScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,C hina

4、)Abstract:Injectionmouldmanufacturingencountersthegrowingcompetitiontoday,whileara pidwayofproducinginjectionmouldmaywintheadvantagesforit Inthispaper,greenpartofinjectionmouldwithconformalcoolingchannelsismanufacturedbys electivelasersintering(SLS)ofcommonlyusedironpowdermixedwithpolymerpowder,andt

5、 henendusemouldisattainedafterthegreenpartisdebound,sinteredathightemperatureandinfiltrated withmodifiedepoxyresin Thestrengthandaccuracyofthemouldwereinvestigated TherapidnessofRapidPrototyping&Manufacturing(RP&M)andtheadvantageofSLSareco mbinedinthisproductionmethodwhichshortenstheproducti

6、oncycletoaweekorsoandcanals osetupcoolingchannelsalongthecontoursoftheplasticpartTherefore,theprocessisprovedtobeafeasiblewaytomanufactureinjectionmouldforsmallbat chproductionKeywords:rapidmanufacture;selectivelasersintering;injectionmould;conformalcoolingch annels快速成形制造 (RapidPrototyping&Manuf

7、ac turing,RP&M) 技术为注塑模具的快速制造提供了 技术平台 1-5,依此技术 ,新型的塑料零件能够尽 快应时进入市场。以往设计的注塑模冷却水道都是 直线型 ,水道加工都是采用钻孔的常规方法 ,加上受* 国防预研项目 (531270102)* 刘锦辉 (1973),男 ,博士后。 E mail:backmyself163 com到塑料制件顶出系统的限 制,影响了水道的分布、大小和数量 ,注塑件往往达不到均匀快速冷却 ,从而降低了 注塑效率和塑料件的质量。 RP&M 中的三维打印和选择性激光烧结 (SLS)技术采 用粉末分层堆积制造的成形方法 ,能够摆脱常规方法对于水

8、道加 366粉末冶金技术 2008年 10月 工的诸多限制 ,从而制造具有复杂冷却系统的注塑模具 6-10 型 SLS成形系统上完成 ,该系统采用 50WCO2 激光器,激光功率连续可调。将模具 CAD 三维实体结构模型以 STL 文件格式输入 SLS系统中 ,模具的冷却水道分布如 图 3 所示。从图中可以看出 , 水道随零件的形状改变 ,并贴近零件壁 ,水道的转弯处 为圆滑的弧状 ,并且都处于模具的内部 ,采用常规方法无法对其进行加工。,其中的 SLS 在此方面技术更胜一筹。美国前 DTM 公司采用 SLS技术主要对高分子材料包覆的 1080钢、 316 和 420不 锈钢粉末进行烧结成形模

9、具形坯 ,不但粉末原料较昂贵 11, 而且需要对模具形坯进 行高温烧结和浸渗低熔点的金属 (一般为铜或青铜 )12; 由于浸渗低熔点金属的温 度高(1000 以上),形坯容易变形和开裂。低温浸渍高分子材料可以避免上述的缺陷13 。因此 ,本文作者选择混加高分子粘结剂粉末的普通电解铁粉为原料 ,利用 SLS 技术成形带有随形冷却水道的模具形坯 ,并通过脱脂、高温烧结和低温浸渍改性的 环氧树脂的工艺方法进一步提高其致密度和强度。笔者在文中主要论述了采用以 上方法制造注塑模具的过程 ,并且对模具的强度和精度作了分析研究。1 注塑模具的制造采用间接 SLS 方法成形注塑模具的形坯。所谓间接方法就是利用

10、小功率激光加热 添加高分子粘结剂的金属粉末 ,使粘结剂软化并粘结金属颗粒 ,如此层层堆积粘结 成形零件形坯 ,其成形原理如图 1所示。然后 ,对形坯进行脱脂、高温烧结、浸渍 环氧树脂和表面处理 ,最终完成模具的制造。图 2 电解铁粉 SEM 形貌照片 Fig 2 Morphologyofironpowder图 3 动、静模内部的冷却水道分布Fig 3 DistributingofcoolingchannelsinthemouldSLS系统成形的主要工艺参数为激光功率、扫描速度、扫描间距、单层厚度及预 热温度。预热温度应接近粘结剂的熔点 ,这样既能够降低成形所需要的激光功率 ,又可以避免扫描后

11、的层面由于较大的环境温差造成的变形 14 。通过对试验中的粘结剂材料进行示 差扫描量热 (DSC)分析,该树脂的熔点在 65 左右,因此预热温度控制在 53 左右。综 合考虑成形效率和 SLS制造阶梯效应的因素 ,成形中单层厚度为 0 1mm,扫描速度 为 2000mm/s,扫描间距为 0 1mm,都为常用值。文献 15指出 ,粘结剂的粘结状况与 激光能量密度相关 ,能量密度的表达式如公式 (1)所示。E=P/(SP!SCSP)(1)图 1 SLS 成形工艺原理图 Fig 1 SketchmapofSLSprocess1 1 制造模具用粉末材料模具的骨架材料选用粉末冶金行业常用的电解铁粉 ,粒

12、度为53 m,颗粒形状为不规 则的粒状(见图 2)。粘结剂选择高分子粉末材料 ,其粒度小于 12 m。2种粉末采用 三维混粉机进行混合 ,混合后的粉末作为成形粉末原料。 1 2 模具形坯的制造其中 P 为激光功率 ,SP为扫描速度 ,SCSP为,第 26卷第 5期 刘锦辉等 :具有内置随形冷却水道的注塑模具快速制造 367 变能量密度 ,零件的强度只同激光功率相关。最终的激光功率确定为 14W,形坯的 强度可达 14 95MPa。激光粘结后的金属粉末颗粒的粘结状况照片如图 4所示,可 见,金属粉末基本上为树脂所粘结包覆。形坯随形冷却水道中存在未烧结的松散粉 末,可以用真空吸尘设备将其吸出。图

13、5 树脂 (氮气中 ) 的 TGA 曲线 Fig 5 TGAcurveofbinderinN2图 4 SLS 形坯的粉末 SEM 形貌照片 Fig 4 Morphologyofbondedpowder1 3 模具形坯的脱脂粘结剂材料的热分解分析 (TGA)在氮气环境下进行 ,升温速率为 10 /min,温度达到 树脂完全分解为止 ,其TGA 曲线如图 5所示。从 TGA 曲线中可以看出 :粘结剂 230 开始分解 ,400460 温度段,分解最为剧烈 ,分解量占总量的 70%以上;460730 树脂 分解速度逐渐降低 ,730 左右分解完毕。因此 ,依照树脂的 TGA 曲线,形坯脱脂时分 解量

14、大且速度快的温度段 ,升温时间稍长一些 ,能够保证树脂在该温度段分解部分 的完全分解 ,并且减缓分解气体冒出的剧烈程度 ,避免气化膨胀对形坯金属颗粒的 冲击。试验将脱脂的最高温度设为 800 ,依照 TGA 曲线 ,树脂可以完全分解脱去 , 可 以使形坯得到预烧结 ,金属颗粒间通过烧结颈连接并具有一定的强度 ,且可以搬 运。1 4 脱脂坯的高温烧结 形坯脱脂后放在真空炉中进行高温烧结 ,提高形坯的强度。烧结的最高温度为 1180 。800 之前以 20 /min的升温速率较快升温 ;之后,以 200 /h升温速率到 1180 , 并保温 1h。烧结后形坯的孔隙度为 46%左右,烧结坯的表面粗糙

15、度 Ra为 2 55 0 m,烧结后的模具如图 6所示。1 5 浸渍改性环氧树脂 将模具高温烧结形坯和渗料一同放在可抽真空200 400 600 800§ £&&口 S»加,图 7 树脂浸渍示意图 Fig 7 Sketchmapofinfusion(a)静模;(b)动模图 6 真空烧结后的模具照片 Fig 6 Hightemperaturesinteredmould 有渗料液体的容器中 ,并使渗料的液面接近冷却水道下缘的平面 (见图 7),而后将液 体渗料刷到形坯的上表面 ,这样可以保证水道不被液体填充。抽真空浸渍 ,真空度 保持在 0 09MPa

16、,以提高浸渍效率。当模具表面的液体渗入形坯中后 ,再刷另一层 , 并抽真空浸渍。如此反复多次 ,直至表面液体不再渗入形坯消失为止 ,说明树脂已 经充满形坯孔隙。用滤纸将形坯表面多余的树脂擦净 ,并将形坯放入恒温箱中在 160 下固化 46h。树脂固化后的模具如图 8所示。浸渍树脂提高了模具表面光洁 度,经过表面的抛光处理 ,表面粗糙度可达 Ra<1 m。368粉末冶金技术 2008年 10月 模具强度高 ,因此只适合小批量生产。图 8 浸渍树脂后的模具 Fig 8 Injectionmouldinfused图 9 是固化后的树脂材料的 TGA 曲线。从图中可以看出 ,在 150 时 ,

17、几乎没有质量 损失,当温度上升至 200 时,树脂的分解量不到 5%,因此可以满足一般注塑模具要求 100150的工作温度。图 10 模具材料浸渍树脂后组织金相照片 Fig 10 Micrographofinfusedmouldmaterial 与 SLS形坯相比,最终模具长、宽方向的收缩率分别为 2 8%和 3 2%,高向的收缩为 5 7%。收缩原因有以下两点 :高分子粘结剂颗粒的脱除 ; 高温烧结。前者可以通过 减小粘结剂的含量和细化粘结剂颗粒使其分布在金属颗粒的孔隙中且不占据多余 空间加以改善 ;后者则可通过降低高温烧结温度损失部分强度来实现。此外 ,还可 以将收缩信息反馈给 CAD 三

18、维模型进行尺寸补偿来控制收缩。3 结论图 9 固化后树脂 TGA 曲线 Fig 9 TGAcurveofcuredresin采用间接 SLS 方法,以普通铁粉为成形原料 ,经高温烧结和浸渍改性环氧树脂 ,可以 制造注塑模具。这种方法综合了 RP&M 技术的快捷性和 SLS 技术自身的优点 ,可 在一周之内制造出具有内置复杂随形冷却水道的注塑模具 ,此类模具可以提高注塑 效率和塑料件的质量。由于此类模具的强度不及致密金属模具高 ,因此只适合于小 批量的生产 ,而且模具的精度有待于进一步提高。参考文献1 KumarSanjay Selectivelasersintering:Aqualit

19、ativeandobjective approach JOM,2003,55(10):43-472JengJeng Ywan,LinMing ChingMoldfabricationand modificationusinghybridprocessesofselectivelasercladdingandmilling JournalofMaterialsProcessingTechnology,2001,110:98-1033 KingD,TanseyT Rapidtooling:selectivelasersinteringinjection tooling JournalofMater

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21、)(2)式中: 是多孔材料的强度 ; 0是对应于多孔材料致密材质的强度 ;f( )是与多孔材料密 度相关的函数 ,C是常数。从公式 (2)中可以看出 ,多孔材料的强度与其致密度相 关。可以通过成形较细的金属粉末和减少粘结剂含量提高形坯材料的致密度,从而增加其强度。浸渍树脂并固化后 ,模具形坯材料的金相组织光学显微照片如图 10 所示 ,其中的亮色为金属 ,暗色为固化后的树脂。树脂也是以多孔形式与金属共存 , 由于两种材料都没有严格的方向性 ,因此在方向性的力的作用下 ,两者存在相互作 用,模具材料的强度是上述两种多孔材料强度非线()第26卷第 5期章林等:高压氢还原法制备 Ni包 SiC粉末的

22、研究 373 参考文献1GanKK,ChenN,WangY,etal SiC/Cucompositeswith tungstencoatingpreparedbypowdermetallurgy MaterialsScienceandTechnology,2007,23(1):119-1222 邹正军,刘君武 化学镀法制备 SiCp Ni 复合粉体 表面技术, 2002,31(5):19-213 邵忠财,李保山,郭亚萍,等 镍包覆型粉末的制备方法与应 用 中国有色金属学报 1998,8(2):277-2794 梁焕珍 ,毛铭华,张荣源 水热加压还原制取镍包石墨 化工 冶金,1996,17(2)

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