第六章 基于快速原型的金属钢质硬模快速制造技术(2)

微细与特种加工

ξ6 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

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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

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