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1、金属硬模具制造技术第1页，本讲稿共22页第六章第六章 快速原型的金属钢质硬模制造技术快速原型的金属钢质硬模制造技术第2页，本讲稿共22页一、烧结工具钢一、烧结工具钢/碳化钨渗铜碳化钨渗铜（3D keltool）模）模 烧结工具钢烧结工具钢/碳化钨渗铜（碳化钨渗铜（3D keltool）模）模3D Systems公司的公司的“Keltool”工艺是粉末烧结法的代工艺是粉末烧结法的代表。表。该方法是通过母模复制的硅橡胶，浇铸工具钢粉该方法是通过母模复制的硅橡胶，浇铸工具钢粉粒、碳化钨粉粒和黏结的混合物，再进行烧结、渗粒、碳化钨粉粒和黏结的混合物，再进行烧结、渗铜而形成的模具。铜而形成的模具。模具的
2、寿命取决于烧结的材料，一般都在模具的寿命取决于烧结的材料，一般都在1万件万件以上。这种模具与钢模、铝模有相似的特性，有很以上。这种模具与钢模、铝模有相似的特性，有很好的特征和表面粗糙度，适合几乎所有的树脂。若好的特征和表面粗糙度，适合几乎所有的树脂。若需要提高模具的精度，可采取添加微细球状粉末等需要提高模具的精度，可采取添加微细球状粉末等措施。措施。第3页，本讲稿共22页1、3D keltool模的制作过程模的制作过程（1）.由由SLA快速成形系统方法生成快速原型，如图快速成形系统方法生成快速原型，如图a。第4页，本讲稿共22页（2）.将模芯原型放入制模箱中，制模箱中浇入将模芯原型放入制模箱中
3、，制模箱中浇入RTV硅硅胶，固化后取出原型，制成胶，固化后取出原型，制成RTV硅橡胶模，如图硅橡胶模，如图b。第5页，本讲稿共22页3.将硅橡胶放入制模箱中，浇入将硅橡胶放入制模箱中，浇入A6钢粉、碳化钨以及环钢粉、碳化钨以及环氧树脂黏结剂组成的浆液，如图氧树脂黏结剂组成的浆液，如图c。第6页，本讲稿共22页4.待浆液固化后，取出模芯初型，放入炉中烧结。在高待浆液固化后，取出模芯初型，放入炉中烧结。在高温下，烧去黏结剂，形成质地疏松的温下，烧去黏结剂，形成质地疏松的A6钢碳化钨模钢碳化钨模芯。然后对模芯进行渗铜处理，制成全密度的芯。然后对模芯进行渗铜处理，制成全密度的A6钢碳钢碳化钨铜金属模芯
4、，如图化钨铜金属模芯，如图d。第7页，本讲稿共22页第8页，本讲稿共22页2、3D Keltool模的主要优点模的主要优点 1.Keltool模芯材料通常含有模芯材料通常含有70A6钢和碳化钨，因钢和碳化钨，因WC硬度高，模具硬度热处理后可达硬度高，模具硬度热处理后可达4044HRC，所以耐，所以耐磨，变形小。磨，变形小。2.模具表面质量好，抛光后其表面粗糙度可达模具表面质量好，抛光后其表面粗糙度可达2025m。3.具有较好的机械加工性能，可如同传统模具一样进具有较好的机械加工性能，可如同传统模具一样进行后处理，如抛光、磨削、焊接等。行后处理，如抛光、磨削、焊接等。4.模具寿命长，如：对于填充
5、的热塑性塑料（如聚丙烯，模具寿命长，如：对于填充的热塑性塑料（如聚丙烯，ABS，尼龙等），有的，尼龙等），有的Keltool镶块的寿命高于镶块的寿命高于300万万次。次。第9页，本讲稿共22页5.keltool因为含有铜，因此具有良好的导热性，可因为含有铜，因此具有良好的导热性，可以缩短制件时间，一副模具约需以缩短制件时间，一副模具约需8天，而用传统方法天，而用传统方法需要需要48周。周。6.该功率制模的收缩率为该功率制模的收缩率为0.6，且收缩线性、同向，且收缩线性、同向，因此可在形成因此可在形成STL格式文件时作为变量输入。格式文件时作为变量输入。7.目前，目前，Keltool工艺制作模芯
6、的最大尺寸为工艺制作模芯的最大尺寸为150mm215mm145mm，最大体积为，最大体积为2.3L，对于较，对于较大尺寸的模芯，可以分割制作后进行组合。大尺寸的模芯，可以分割制作后进行组合。8.可制作形状复杂，具有细微特征的模具，相对成本低。可制作形状复杂，具有细微特征的模具，相对成本低。第10页，本讲稿共22页3、3D Keltool模的主要局限模的主要局限1.Keltool模的技术新，应用时间短，工艺不稳定。模的技术新，应用时间短，工艺不稳定。2.母模必须要精确、稳定，因此，对于尺寸大于母模必须要精确、稳定，因此，对于尺寸大于125mm以上的模以上的模具，快速成形系统不能保证母模的精度在具
7、，快速成形系统不能保证母模的精度在0.05mm以内以内3.对于不同的型芯和型腔，甚至对于同一型芯或者对于不同的型芯和型腔，甚至对于同一型芯或者型腔的不同部位，型腔的不同部位，3D Keltool模的精度也会因收缩率模的精度也会因收缩率的变化而造成不一致。的变化而造成不一致。4.由于精度和一致性的问题，有的由于精度和一致性的问题，有的3D Keltool镶块镶块可能需要后续机械加工，增加模具制作费用和时间。可能需要后续机械加工，增加模具制作费用和时间。第11页，本讲稿共22页二、二、Rapid-ToolTM制模技术制模技术SLS直接烧结低碳钢直接烧结低碳钢渗铜膜的工艺是渗铜膜的工艺是DTM公司采
8、公司采用专利的用专利的SLS过程开发的，称作过程开发的，称作Rapid-ToolTM。使用的材料有使用的材料有PVC、PC、聚合黏结剂包裹的低碳钢、聚合黏结剂包裹的低碳钢粉末，聚合黏结剂包裹的粉末，聚合黏结剂包裹的420不锈钢粉末等等。不锈钢粉末等等。第12页，本讲稿共22页2、Rapid-ToolTM模建立过程模建立过程1.使用使用Rapid-ToolTM工艺，激光束烧结低碳钢和黏结剂工艺，激光束烧结低碳钢和黏结剂粉粒，使它们融合在一起，并一层一层的建立工件，得到粉粒，使它们融合在一起，并一层一层的建立工件，得到半成品件。半成品件。2.半成品的强度很低，只有半成品的强度很低，只有3MPa，因
9、此，为提高强，因此，为提高强度，将半成品放入含有度，将半成品放入含有25H2和和75N2的电炉中，的电炉中，当炉温升到当炉温升到700时，几乎全部的黏结剂去除，从时，几乎全部的黏结剂去除，从而形成多孔的零件而形成多孔的零件第13页，本讲稿共22页3.将半成品件放入一个炉中，进行二次处理，加热去除黏将半成品件放入一个炉中，进行二次处理，加热去除黏结剂，使金属粉末融合，并在结剂，使金属粉末融合，并在1083摄氏度以上渗入铜，摄氏度以上渗入铜，最终获得全密度的模具。最终获得全密度的模具。最终的模具为最终的模具为64体积的金属和体积的金属和36体积的铜构成。体积的铜构成。第14页，本讲稿共22页三、低
10、熔点金属模三、低熔点金属模 低熔点合金模是采用熔点较低的有色金属低熔点合金模是采用熔点较低的有色金属合金作为铸模材料，以合金作为铸模材料，以RP 系统或系统或CNC 加加工的样件为基础，在熔箱内铸模成形的一工的样件为基础，在熔箱内铸模成形的一种冲压模具。种冲压模具。常用的低熔点金属是常用的低熔点金属是SnBi合金或者合金或者Zn合金。合金。第15页，本讲稿共22页低熔点材料是一种非常好的快速模具材料，它具有：低熔点材料是一种非常好的快速模具材料，它具有：1.熔点低，熔化速度快，有利于提高制模效率；熔点低，熔化速度快，有利于提高制模效率；2.在熔化状态下流动性好，成模清晰；在熔化状态下流动性好，
11、成模清晰；3.具有一定的冷胀性，便于固定模具镶块及其它部具有一定的冷胀性，便于固定模具镶块及其它部件等特点。件等特点。4.可以多次重熔，重复利用。可以多次重熔，重复利用。但是由于低熔点合金材料强度低（抗拉强度只有但是由于低熔点合金材料强度低（抗拉强度只有60MPa左右），所以对于板厚超过左右），所以对于板厚超过1.5mm的板材就的板材就不十分合适了。不十分合适了。第16页，本讲稿共22页1、低熔点金属模成形过程、低熔点金属模成形过程1利用快速成形技术制造利用快速成形技术制造冲压件原型；冲压件原型；2 将冲压件原型置于形将冲压件原型置于形框中，浇注低熔点合金，框中，浇注低熔点合金，得到凹模；得到
12、凹模；3 将凹模取出，再次浇将凹模取出，再次浇注低熔点合金，得到凸注低熔点合金，得到凸模和压边圈。模和压边圈。4 将凸模，凹模，压边圈将凸模，凹模，压边圈装配即可得到冲压模。装配即可得到冲压模。第17页，本讲稿共22页四、三维打印渗铜（四、三维打印渗铜（Prometal）模）模三维打印渗铜模（又称三维打印渗铜模（又称Moldfusion）的）的工艺是由工艺是由ExtrucleHone公司与公司与MIT合作开合作开发的，因其工艺过程类似于喷墨打印机喷发的，因其工艺过程类似于喷墨打印机喷墨的过程，所以称为三维打印。墨的过程，所以称为三维打印。第18页，本讲稿共22页工艺过程：工艺过程：1.铺粉装置
13、将一层金属粉末（不锈钢粉末）铺在成形台板铺粉装置将一层金属粉末（不锈钢粉末）铺在成形台板或前一层粉末上面。或前一层粉末上面。2.然后，在三维然后，在三维CAD模型的二维切片数据驱动下，模型的二维切片数据驱动下，通过喷头在不锈钢粉末上喷射一层液态聚合物（光通过喷头在不锈钢粉末上喷射一层液态聚合物（光固化树脂黏结剂），灯光迅速固化不锈钢粉上的黏固化树脂黏结剂），灯光迅速固化不锈钢粉上的黏结剂。结剂。第19页，本讲稿共22页3.工作台下降，涂覆另一层不锈钢粉末，重复（工作台下降，涂覆另一层不锈钢粉末，重复（1）、（）、（2）步骤，直至完成层层堆积得到半成品；）步骤，直至完成层层堆积得到半成品；4.把
14、半成品放入加热炉内，烧去黏结剂，然后进行二把半成品放入加热炉内，烧去黏结剂，然后进行二次烧结与渗铜，最终形成次烧结与渗铜，最终形成60%钢和钢和40%铜的金属模具。铜的金属模具。第20页，本讲稿共22页结果就是近网状的部件，强度、可压缩性与硬度结果就是近网状的部件，强度、可压缩性与硬度（约（约30Rc）都接近）都接近P20号钢。最大尺寸是号钢。最大尺寸是800mm800mm600mm。模具的基本公差小至。模具的基本公差小至0.005，在部件整个长度上的变化率是，在部件整个长度上的变化率是0.002。该。该模具可以被切削、钻孔、打磨、涂层或电镀。模具可以被切削、钻孔、打磨、涂层或电镀。这个过程也可以使用共形冷却管，冷却时间减少这个过程也可以使用共形冷却管，冷却时间减少2530。第21页，本讲稿共22页思考题：如图所示，图中零件为塑料零件，思考题：如图所示，图中零件为塑料零件，请利用你所学快速制造模具知识，设计出请利用你所学快速制造模具知识，设计出能生产该零件的快速模具，写出该快速模能生产该零件的快速模具，写出该快速模具制造的工艺过程。具制造的工艺过程。第22页，本讲稿共22页