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1、第六章 基于快速原型的金属钢质硬模快速制造技术 微细与特种加工 6 基于快速原型的金属硬模快速制造技术 模具工程技术研究中心 METRC 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
2、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500MPa,精度不低于 0.01mm,表面租糙度值小于Ra 20 #181;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, LE
3、NSTM)、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。 微细与特种加工 6 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 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。 一、 KeltoolTM法基本原理及工艺流程首先以三维CAD软件设计概念原型(包括型腔和型芯)并保存为STL 文件
4、，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 微细与特种加工 6 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
5、ETRC 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46-50Rc。 微细与特种加工 6 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 微细与特种加工 6 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、 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
6、为1-4#181;m(平均有效粒径为2.5#181;m),一般为多边形或粒状；A6工具 钢粉末直径为20-38#181;m(平均有效粒径为27#181;m)。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。 微细与特种加工 6 基于快速原型的硬模快速制造技术
7、 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%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
8、。 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152mm#215;203mm#215;101mm以下。 微细与特种加工 6 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、 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。 a) Kelt
9、ool型腔 b) Keltool型腔固定于模架上 图6-3 KeltoolTM法制作的 模具 微细与特种加工 6 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6-4 KeltoolTM法制作的模具及相应的注塑件 微细与特种加工 6 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 第二节 Rapid toolTM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。 一、 RapidToolTM工艺原理及流程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 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5#181;m,被预先包裹在低碳钢粉颗粒上，低碳钢粉颗 粒粒径约为55#181;m。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。第 7 页 共 7 页