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具有內(nèi)置隨形冷卻水道的注塑模具快速制造
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http://m.t3home.cn 發(fā)表日期：2009-4-13 10:27:40
蘭格鋼鐵 |
采用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)燒結(jié)混加高分子粘結(jié)劑粉末的普通鐵粉成形注塑模具形坯，而后形坯經(jīng)過脫脂、高溫?zé)Y(jié)、浸漬改性環(huán)氧樹脂和浸漬后樹脂的固化完成注塑模具制造。筆者對(duì)模具的強(qiáng)度和精度進(jìn)行了分析研究。該方法綜合了快速成形制造(RapidPrototyping＆Manufacturing，RP&M)技術(shù)的快捷性和SIS技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn)，既可以縮短制造注塑模具的周期，又能夠隨塑料件的形狀輪廓設(shè)置模具中的冷卻水道，從而既加快了商家對(duì)于市場需求的反應(yīng)速度，又提高了注塑效率和注塑件的質(zhì)量。
快速成形制造(RapidPrototyping&Manufacturing，RP&M)技術(shù)為注塑模具的快速制造提供了技術(shù)平臺(tái)，依此技術(shù)，新型的塑料零件能夠盡快應(yīng)時(shí)進(jìn)入市場。以往設(shè)計(jì)的注塑模冷卻水道都是直線型，水道加工都是采用鉆孔的常規(guī)方法，加上受到塑料制件頂出系統(tǒng)的限制，影響了水道的分布、大小和數(shù)量，注塑件往往達(dá)不到均勻快速冷卻，從而降低了注塑效率和塑料件的質(zhì)量。RP&M中的三維打印和選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)采用粉末分層堆積制造的成形方法，能夠擺脫常規(guī)方法對(duì)于水道加工的諸多限制，從而制造具有復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的注塑模具，其中的SLS在此方面技術(shù)更勝一籌。
美國前DTM公司采用SLS技術(shù)主要對(duì)高分子材料包覆的1080鋼、316和420不銹鋼粉末進(jìn)行燒結(jié)成形模具形坯，不但粉末原料較昂貴，而且需要對(duì)模具形坯進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)和浸滲低熔點(diǎn)的金屬(一般為銅或青銅)；由于浸滲低熔點(diǎn)金屬的溫度高(1000℃以上)，形坯容易變形和開裂。低溫浸潰高分子材料可以避免上述的缺陷。因此，本文作者選擇混加高分子粘結(jié)劑粉末的普通電解鐵粉為原料，利用SLS技術(shù)成形帶有隨形冷卻水道的模具形坯，并通過脫脂、高溫?zé)Y(jié)和低溫浸漬改性的環(huán)氧樹脂的工藝方法進(jìn)一步提高其致密度和強(qiáng)度。筆者在文中主要論述了采用以上方法制造注塑模具的過程，并且對(duì)模具的強(qiáng)度和精度作了分析研究。
1注塑模具的制造
采用間接SLS方法成形注塑模具的形坯。所謂間接方法就是利用小功率激光加熱添加高分子粘結(jié)劑的金屬粉末，使粘結(jié)劑軟化并粘結(jié)金屬顆粒，如此層層堆積粘結(jié)成形零件形坯，其成形原理如圖1所示。然后，對(duì)形坯進(jìn)行脫脂、高溫?zé)Y(jié)、浸漬環(huán)氧樹脂和表面處理，最終完成模具的制造。
1.1制造模具用粉末材料
模具的骨架材料選用粉末冶金行業(yè)常用的電解鐵粉，粒度為<53μm，顆粒形狀為不規(guī)則的粒狀(見圖2)。粘結(jié)荊選擇高分子粉末材料，其粒度小于12μm。2種粉末采用三維混粉機(jī)進(jìn)行混合，混合后的粉末作為成形粉末原料。
1.2模具形坯的制造
模具形坯在由華中科技大學(xué)開發(fā)的HARP-II型SLS成形系統(tǒng)上完成，該系統(tǒng)采用50wc02激光器，激光功率連續(xù)可調(diào)。將模具CAD三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型以STL文件格式輸入SLS系統(tǒng)中，模具的冷卻水道分布如圖3所示。從圖中可以看出，水道隨零件的形狀改變，并貼近零件壁，水道的轉(zhuǎn)彎處為圓滑的弧狀，并且都處于模具的內(nèi)部，采用常規(guī)方法無法對(duì)其進(jìn)行加工。
SLS系統(tǒng)成形的主要工藝參數(shù)為激光功率、掃描速度、掃描間距、單層厚度及預(yù)熱溫度。預(yù)熱溫度應(yīng)接近粘結(jié)劑的熔點(diǎn)，這樣既能夠降低成形所需要的激光功率，又可以避免掃描后的層面由于較大的環(huán)境溫差造成的變形。通過對(duì)試驗(yàn)中的粘結(jié)劑材料進(jìn)行示差掃描量熱(DSC)分析，該樹脂的熔點(diǎn)在65℃左右，因此預(yù)熱溫度控制在53℃左右。綜合考慮成形效率和SLS制造階梯效應(yīng)的因素，成形中單層厚度為0.1mm，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.1mm，都為常用值。粘結(jié)劑的粘結(jié)狀況與激光能量密度相關(guān)，能量密度的表達(dá)式如公式(1)所示。
ρE=P/(SP·SCSP)
其中P為激光功率，SP為掃描速度，SCSP為掃描間距，ρE為激光能量密度。調(diào)節(jié)激光功率以改變能量密度，零件的強(qiáng)度只同激光功率相關(guān)。最終的激光功率確定為14W，形坯的強(qiáng)度可達(dá)14.95MPa。激光粘結(jié)后的金屬粉末顆粒的粘結(jié)狀況照片如圖4所示，可見，金屬粉末基本上為樹脂所粘結(jié)包覆。形坯隨形冷卻水道中存在未燒結(jié)的松散粉末，可以用真空吸塵設(shè)備將其吸出。
1.3模具形坯的脫脂
粘結(jié)劑材料的熱分解分析(TGA)在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，升溫速率為10℃/min，溫度達(dá)到樹脂完全分解為止，其TGA曲線如圖5所示。從TGA曲線中可以看出：粘結(jié)劑230℃開始分解，400～460℃溫度段，分解最為劇烈，分解量占總量的70%以上；460～730℃樹脂分解速度逐漸降低，730℃左右分解完畢。因此，依照樹脂的TGA曲線，形坯脫脂時(shí)分解量大且速度快的溫度段，升溫時(shí)間稍長一些，能夠保證樹脂在該溫度段分解部分的完全分解，并且減緩分解氣體冒出的劇烈程度，避免氣化膨脹對(duì)形坯金屬顆粒的沖擊。試驗(yàn)將脫脂的最高溫度設(shè)為800℃，依照TGA曲線，樹脂可以完全分解脫去，可以使形坯得到預(yù)燒結(jié)，金屬顆粒間通過燒結(jié)頸連接并具有一定的強(qiáng)度，且可以搬運(yùn)。
1.4脫脂坯的高溫?zé)Y(jié)
形坯脫脂后放在真空爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，提高形坯的強(qiáng)度。燒結(jié)的最高溫度為1180℃。800℃之前以20℃/min的升溫速率較快升溫；之后，以200℃/h升溫速率到1180℃，并保溫1h。燒結(jié)后形坯的孔隙度為46%左右，燒結(jié)坯的表面粗糙度Ra為2.5～5.0μm，燒結(jié)后的模具如圖6所示。
1.5浸漬改性環(huán)氧樹脂
將模具高溫?zé)Y(jié)形坯和滲料一同放在可抽真空的恒溫箱中預(yù)熱，溫度為110℃。將形坯平放入裝有滲料液體的容器中，并使?jié)B料的液面接近冷卻水道下緣的平面(見圖7)，而后將液體滲料刷到形坯的上表面，這樣可以保證水道不被液體填充。抽真空浸漬，真空度保持在0.09MPa，以提高浸漬效率。當(dāng)模具表面的液體滲入形坯中后，再刷另一層，并抽真空浸漬。如此反復(fù)多次，直至表面液體不再滲入形坯消失為止，說明樹脂已經(jīng)充滿形坯孔隙。用濾紙將形坯表面多余的樹脂擦凈，并將形坯放入恒溫箱中在160℃下固化4～6h。樹脂固化后的模具如圖8所示。浸漬樹脂提高了模具表面光潔度，經(jīng)過表面的拋光處理，表面粗糙度可達(dá)Ra<μm。
2模具強(qiáng)度和精度分析
模具的強(qiáng)度主要來源于脫脂形坯的高溫?zé)Y(jié)和浸漬改性環(huán)氧樹脂后的固化。高溫?zé)Y(jié)后，模具是多孔材料，多孔材料的強(qiáng)度可由經(jīng)驗(yàn)公式(2)表示：
σ=Cσ0f(ρ)
式中：σ是多孔材料的強(qiáng)度；σ0是對(duì)應(yīng)于多孔材料致密材質(zhì)的強(qiáng)度；f(ρ)是與多孔材料密度相關(guān)的函數(shù)，C是常數(shù)。從公式(2)中可以看出，多孔材料的強(qiáng)度與其致密度相關(guān)�？梢酝ㄟ^成形較細(xì)的金屬粉末和減少粘結(jié)劑含量提高形坯材料的致密度，從而增加其強(qiáng)度。浸漬樹脂并固化后，模具形坯材料的金相組織光學(xué)顯微照片如圖10所示，其中的亮色為金屬，暗色為固化后的樹脂。樹脂也是以多孔形式與金屬共存，由于兩種材料都沒有嚴(yán)格的方向性，因此在方向性的力的作用下，兩者存在相互作用，模具材料的強(qiáng)度是上述兩種多孔材料強(qiáng)度非線性疊加的結(jié)果。由上述材料制成的模具沒有純金屬模具強(qiáng)度高，因此只適合小批量生產(chǎn)。
與SLS形坯相比，最終模具長、寬方向的收縮率分別為2.8%和3.2%，高向的收縮為5.7%。收縮原因有以下兩點(diǎn)：高分子粘結(jié)劑顆粒的脫除；高溫?zé)Y(jié)。前者可以通過減小粘結(jié)劑的含量和細(xì)化粘結(jié)劑顆粒使其分布在金屬顆粒的孔隙中且不占據(jù)多余空間加以改善；后者則可通過降低高溫?zé)Y(jié)溫度損失部分強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。此外，還可以將收縮信息反饋給CAD三維模型進(jìn)行尺寸補(bǔ)償來控制收縮。
3結(jié)論
采用間接SLS方法，以普通鐵粉為成形原料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)和浸漬改性環(huán)氧樹脂，可以制造注塑模具。這種方法綜合了RP&M技術(shù)的快捷性和SLS技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn)，可在一周之內(nèi)制造出具有內(nèi)置復(fù)雜隨形冷卻水道的注塑模具，此類模具可以提高注塑效率和塑料件的質(zhì)量。由于此類模具的強(qiáng)度不及致密金屬模具高，因此只適合于小批量的生產(chǎn)，而且模具的精度有待于進(jìn)一步提高。 |
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