基快速原型的金属钢质硬模快速制造技术

1、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

2、500mpa，精度不低于0.01mm，表面租糙度值小于ra 20 m，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

3、三维打印制模技术等。 模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的金属硬模快速制造技术基于快速原型的金属硬模快速制造技术 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。 模具工程技术研究中心 metrc一、一、 keltooltm法基本原理及工艺流程 第一节keltooltm法快速制模技术 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

4、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6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc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

5、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。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc二、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1-4m（平均有效粒径为2.5m），一般为多边形或粒状；a6工具钢粉末直径为20-38m（平均有效粒径为27m）

6、。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： 粗细粒径比大于7，因此双形态包的密度高得多。 精细的wc颗粒能填充较大a6工具钢颗粒之间的空隙。 粘结剂的密度小的多，在还原炉中需要去除的粘结剂较少。 烧结过程中平均收缩率较小，提高精度。 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。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc该工艺的主要优点：该工艺的主要优点： 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%

7、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。 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。 工艺流程简单，制作快速。 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： 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。 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。 模具生产周期较长，平均为4周，其中制作型芯件需要810天，而且型芯件的尺寸较小，一般在152

8、mm203mm101mm以下。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc三、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。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术图6-3 keltooltm法制作的模具a) keltool型腔 b) keltool型腔固定于模架上模具工程技术研究中心 m

9、etrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术图6-4 keltooltm法制作的模具及相应的注塑件 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。 模具工程技术研究中心 metrc一、一、 rapidtooltm工艺原理及流程工艺原理及流程 第二节rapid tooltm法快速制模技术 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

10、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5m，被预先包裹在低碳钢粉颗粒上，低碳钢粉颗粒粒径约为55m。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。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术 其次，

11、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

12、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。 模具工程技术研究中心 metrc二、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2.53.5%，硬度可达hrc27，材料

13、机械性能优于al7075，寿命可超过50000件。rapidtooltm工艺的优点为：6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术制作过程快速(约515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。 模具工程技术研究中心 metrc三、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，

14、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）。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术图6-6 实现rapidtooltm工艺的烧结设备 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rapidt

15、ooltm工艺的烧结设备。 模具工程技术研究中心 metrc四、四、rapidtooltm工艺应用 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术 rapidtooltm制模工艺制作的模具型芯 模具工程技术研究中心 metrc 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。6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术表6-1 rapidtooltm工艺注塑模与传统工艺注塑模对比表模具类型模具成本/美元模具开发周期/周模具寿命/件每件注塑件的成本/美元rapidtooltm注塑模20

16、,0006750004.00传统注塑模60,0001618250,0000.24 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。 模具工程技术研究中心 metrc一、一、 directtooltm工艺原理及流程工艺原理及流程 第三节direct tooltm法快速制模技术 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

17、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。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc二、二、 directtooltm工艺制模设备工艺制模设备 德国快速成型设备开发商eos公司开发的s

18、ls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250250185mm的金属模具，精度可以达到0.1mm。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术directtooltm制作的模具 模具工程技术研究中心 metrc三、三、 directtooltm工艺材料工艺材料 directtooltm工艺所用合金粉末

19、材料比较成功的有以下两种： 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术（1）directmetal 铜铜-镍基混合粉镍基混合粉 该合金混合粉末材料为瑞典electrolux公司开发的青铜和镍合金粉末，具体成分为75青铜（cu90-sn10）、20镍及5的磷铜，平均粒径为35-40m。在选择性激光烧结过程中，相变产生的体积膨胀可以补偿粉末在烧结过程中引起的收缩。即便烧结的金属模具没有产生明显的尺寸收缩，烧结后仍然存在超过20的孔隙。但是由于合金粉末材料中含有的青铜的熔点为900，低于cu的熔点1083，渗铜是不可以的。实践证明，在其表面渗透一层高温环氧树脂，或者渗入低熔点金

20、属（如锡），也同样可以得到比较好的效果，可以用作注塑模、压铸模等。渗透前半成品的抗拉强度为150mpa，抗弯强度为300mpa，为了获得尽可能高的精度，应使烧结时无收缩，在这种条件下，半成品的孔隙率为25%左右。渗透后处理时，只对模具施加低热，因此，不会影响工件的精度，并能使抗弯强度模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术提高到约为400mpa，表面光滑（粗糙度ra=3.5m，手工抛光后可使ra1m），硬度达到hb108，热导率达到110w/(mk)。渗透是借助毛细管作用实现的，所以，仅需将半成品的尾部浸入树脂液中，渗透过程需要半个小时，

21、然后在160的烘箱中进行后固化约2h。先将半成品与树脂预热至60，能加速上述过程，并减少模具中残存的孔隙。 当参数选择恰当时，由激光液相烧结导致的工件典型收缩，能完全由所含成分扩散造成的材料体积膨胀来补偿，因此，在激光烧结过程中，材料的净体积变化几乎为零，从而使渗透树脂后的模具相对精度能达到0.050.1%。 由于激光聚焦后的光斑尺寸只有350m，激光扫描速度高达300800mm/s，因此加热的持续时间足够短，即使没有惰性气体的保护，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，并能够改善固态颗粒在熔化阶段的湿润性。 图6-10所示为使用eosint m 250 xtended

22、成型设备，以directmetal 20为成型材料制作的某种门锁。 模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术图6-10 以directmetal 20为成型材料制作的门锁模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术（2）directsteel 钢钢-青铜青铜-镍基混合粉镍基混合粉 directsteel 钢-青铜-镍基混合粉常用的有50-v1、50-v2和100-v3三种牌号。这种合金粉末材料里面不含有有机成分，粒径约为50m。这种合金粉末不必进行后烧结与渗铜（或锡、高温树脂等），即可用

23、作注塑模、压铸模等。其中使用50-v1牌号的合金粉末所烧结成型的模具具有500mpa的抗拉强度、hb6080的硬度，用这种材料烧结的注塑模能注射几千件塑料件，烧结的压铸模能铸造几百件金属件，而模具无任何磨损的痕迹。采用附加的表面涂覆处理后，还能进一步提高模具的寿命，例如，电镀1030m厚的镍，可以使其表面硬度达到hv512，与硬化钢相当。 牌号为50-v2的directsteel合金粉末，可以用来制作小批量的功能原型件，由该材料制成的模具，除了有较好的机械性能外，还具有极好的精度和表面光洁度。牌号为100-v3的directsteel合金粉末能够快速地被烧结成为钢质硬模，并有较好的机械性能，较

24、高的精度，以及良好的内部结构和表面光洁度。 模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术图6-11 以directsteel合金粉为材料制作的高尔夫球模具及由模具制得的高尔夫球 图6-11所示为使用eosint m 250 xtended为成型设备，使用某种牌号的directsteel合金粉末为成型材料制作的高尔夫球模具及由模具制得的高尔夫球，该套模具可以生产两千万个高尔夫球，比传统的模具提高了20%的生产效率。 模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术 比利时金属成形研究中心（rese

25、arch center of belgian metal-working industry）同样采用eosint-m设备制作了某玩具塑料壳体注射模具，具体的制作时间如表6-2所示。整个周期为10个工作日，其中包括500件制品的生产。原来采用铝模制作的时间为26天，不但时间缩短了一半以上，而且成本也降低了原来的一半以上。 表表6-2 directtooltm工艺制作某玩具注射模的时间工艺制作某玩具注射模的时间工序时间/h工序时间/hsls 制作型腔25机加工12人工处理7顶杆、浇道等制作8浸环氧树脂6 激光近成型技术（laser engineered net shaping, lenstm）是将

26、激光熔覆技术和快速原型及制造技术相结合的一种先进的制造技术。该技术由美国圣地亚国家实验室研究开发，其成型系统主要由激光能源系统、金属粉送进系统和惰性环境保护系统组成。模具工程技术研究中心 metrc一、激光近成型技术基本原理一、激光近成型技术基本原理第四节激光近成型技术 lenstm激光近成型技术基于一般快速原型原理，首先是在计算机中生成零件的三维cad模型，然后将该模型按照一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，再由金属粉送进系统向被激光热能熔化了的在垫板上形成的金属熔池喷射金属粉，按照二维轮廓轨迹在沉积垫板上逐层堆积金属粉末材料，光斑离开后金属粉末凝固成型

27、，最终形成致密的三维金属模件。 成型垫板在x-y平面内受三维cad模型的切片轮廓数据控制而运动，而z向运动是由激光束及送粉机构的共同运动形成的。其中x-y平面的成型精度为0.05mm，z向成型精度为0.5mm。6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc 图6-12给出的lenstm激光近成型技术成型示意图。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 metrc二、激光近成型技术特点二、激光近成型技术特点 lenstm激光近成型技术较传统的切削加工技术的主要优势为： 加工成本低，没有前后的加工处理工

28、序； 所选熔覆材料广泛，且可以使模具有更长的使用寿命； 几乎是一次近成形，材料利用率高； 准确定位且面积较小的激光热加工区以及熔池可以得以快速冷却，是 lenstm激光近成型系统最大的特点，一方面可以减少对工作底层的影响，另一方面可以保证所成型的部分有精细的微观组织结构，成型件致密，保证有足够好的强度和韧性。 该工艺和激光焊接及激光表面喷涂相似，成型要在由氩气保护的密闭仓中进行。保护气氛系统是为了防止金属粉末在激光成型中发生氧化，降低沉积层的表面张力，提高层与层之间的浸润性，同时有利于提高工作环境的安全。 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心 m

29、etrc三、激光近成型技术制模设备及应用三、激光近成型技术制模设备及应用 某型号lenstm成型系统设备 6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术其中四个金属粉喷嘴喷射金属粉且被激光进行熔化的工作现场 模具工程技术研究中心 metrc 目前lenstm激光近成型工艺可以成型的材料主要有316不锈钢、镍基耐热合金inconel625、h13工具钢、钛和钨。 lenstm激光近成型工艺一般用来制造高密度的铸模，下图是通过lenstm制造的一些铸模。另外lenstm工艺也可以对一些金属物件进行修补，例如修补飞机的喷射叶片，可以利用激光将金属粉末喷涂在叶片损坏的地方。 6 基于

30、快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术 expresstooltm法快速制模技术是hasbro玩具公司与laser fare公司合作开发的一种制作具有共形冷却道的镍-铜壳（ni-cu/ccc）模具的技术，专称为expresstooltm。expresstooltm 法快速电铸镍铜复合壳模是一种批量生产用模具。它先在原型表面电铸镍壳，然后设置共形冷却道，再电镀铜壳，并浇注背衬而构成的模具。其核心是采用了电铸镍-铜复合壳，以及共形冷却道。此种模具可批量生产注塑件。 模具工程技术研究中心 metrc一、一、expresstooltm法制模工艺流程法制模工艺流程 第五节express

31、tooltm法快速制模技术6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术（1）原型制作与喷涂）原型制作与喷涂 用cad软件设计模型，并用机加工或快速原型方法制作原型，且对原模进行涂覆处理。对原型进行涂覆的目的是使原型可以导电 。 模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术（2）电铸镍层）电铸镍层 将已涂覆的原型作阴极，镍作阳极，在镍电铸槽中，进行电铸镍壳，如图b所示。当电铸的镍壳足够厚（一般为2mm）后，从电铸槽中取出原型及仍与其相连的镍壳，并将它们置于清水中冲洗，然后晾干。 （3）设置共形冷却道）设置共形冷却道 置冷却道

32、于镍壳的背面，并弯曲冷却道，以便使其与注塑件的主轮廓形状共形，如图c所示。 模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术（4）电铸铜层）电铸铜层 将电铸的镍壳与相连的原模，以及已定位的共形冷却道，置于铜电镀槽中，进行镀铜，这样注射塑料的热量可通过镍壳与铜层，直接传至冷却道，然后通过对流而排出，如图d所示。 目前，expresstooltm 法快速电铸镍铜复合壳模寿命已达270,000次注射，而无脱层问题。 模具工程技术研究中心 metrc6 基于快速原型的硬模快速制造技术基于快速原型的硬模快速制造技术（5）浇注背衬）浇注背衬 对原型-镍壳-铜层-冷却道构成的组合件加背