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1、第九章 基于快速原型的钢质硬模快速制造技术,快速成型与快速模具制造技术及其应用,机械工业出版社（第三版）,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、
2、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Ra20m，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。,第九章 基于快速原型的钢制硬模快速制造技术,金属钢质硬模的直接快速制造，是快速成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 目前，可以制得金属钢质硬模的工艺方法有：KeltoolTM法快速制
3、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。,第九章 基于快速原型的钢制硬模快速制造技术,KeltoolTM法快速制模技术,RapidToolTM法快速制模技术,DirectToolTM法快速制模技术,激光近成型技
4、术,ExpressToolTM法快速制模技术,第九章 基于快速原型的钢制硬模快速制造技术,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。,首先基于三维CAD软件设计的概念原型（包括型腔和型芯）采用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
5、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46-50HRc。,1.1 KeltoolTM法基本原理及工艺流程,图9-1、图9-2分别给出了KeltoolTM法的快速制模技术进行型芯和型腔制作的工艺原理及工艺流程
6、。,图 9-1 KeltoolTM方法工艺原理,a)原型 b)浇注硅胶 c)浇注金属粉 d)烧结并渗铜等 e)金属模具,图 9-2 KeltoolTM方法工艺流程,第一节 KeltoolTM法快速制模技术,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）。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
7、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。,1.2 KeltoolTM法的工艺特点,第一节 KeltoolTM法快速制模技术,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%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30-34HRc，热处理后为46-50HRc，具有非常好的模
8、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： 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）无足够的强度和硬度，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152mm203mm101mm以下。,第一节 KeltoolTM法快速制模技术,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9
9、-3给出的是采用KeltoolTM方法制作的模具型腔及装配的模具。图9-4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)模具的型腔 b)装配的模具,图9- 3 KeltoolTM法制作的模具,1.3 KeltoolTM法的应用,第一节 KeltoolTM法快速制模技术,图9-4 KeltoolTM法制作的模具及相应的注塑件,第一节 KeltoolTM法快速制模技术,KeltoolTM法快速制模技术,RapidToolTM法快速制模技术,DirectToolTM法快速制模技术,激光近成型技术,ExpressToolTM法快速制模技术,第九章 基于快速原型的钢制硬模快速
10、制造技术,第二节 RapidToolTM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。,RapidToolTM方法的工艺过程原理如图9-5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
11、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。,2.1 RapidToolTM工艺原理及流程,图 9-5 RapidToolTM制模工艺原理,a) SLS方法烧结涂有粘接剂的金属粉末 b) 烧结并渗铜 c) 表面处理并安装,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
12、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,第二节 RapidToolTM法快速制模技术,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
13、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。,第二节 RapidToolTM法快速制模技术,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
14、1120渗铜时会因高温导致制件变形。,2.2 RapidToolTM工艺特点,第二节 RapidToolTM法快速制模技术,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）。,RapidToolTM是利用DTM公司的SLS（Selective Laser Sintering）系统的Sinterst
15、ation2500快速成型系统来实现的。图9-6是实现RapidToolTM工艺的烧结设备。,2.3 RapidToolTM工艺制模材料及设备,第二节 RapidToolTM法快速制模技术,图9-6 实现RapidToolTM工艺的烧结设备,第二节 RapidToolTM法快速制模技术,图 9-7 RapidtoolTM制模工艺制作的模具型芯,图9-7给出的是RapidtoolTM制模工艺制作的模具型芯实例。,2.4 RapidToolTM工艺应用,第二节 RapidToolTM法快速制模技术,表9-1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
16、模相关参数的对比情况。,表9-1 RapidToolTM工艺注塑模与传统工艺注塑模对比表,第二节 RapidToolTM法快速制模技术,KeltoolTM法快速制模技术,RapidToolTM法快速制模技术,DirectToolTM法快速制模技术,激光近成型技术,ExpressToolTM法快速制模技术,第九章 基于快速原型的钢制硬模快速制造技术,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。,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
