|
|
具有內(nèi)置隨形冷卻水道的注塑模具快速制造
|
|
http://www.shushitongpu.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(SLS)技術燒結混加高分子粘結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、高溫燒結、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。筆者對模具的強度和精度進行了分析研究。該方法綜合了快速成形制造(RapidPrototyping＆Manufacturing，RP&M)技術的快捷性和SIS技術自身的優(yōu)點，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置模具中的冷卻水道，從而既加快了商家對于市場需求的反應速度，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)技術為注塑模具的快速制造提供了技術平臺，依此技術，新型的塑料零件能夠盡快應時進入市場。以往設計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(SLS)技術采用粉末分層堆積制造的成形方法，能夠擺脫常規(guī)方法對于水道加工的諸多限制，從而制造具有復雜冷卻系統(tǒng)的注塑模具，其中的SLS在此方面技術更勝一籌。
美國前DTM公司采用SLS技術主要對高分子材料包覆的1080鋼、316和420不銹鋼粉末進行燒結成形模具形坯，不但粉末原料較昂貴，而且需要對模具形坯進行高溫燒結和浸滲低熔點的金屬(一般為銅或青銅)；由于浸滲低熔點金屬的溫度高(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劑粉末的普通電解鐵粉為原料，利用SLS技術成形帶有隨形冷卻水道的模具形坯，并通過脫脂、高溫燒結和低溫浸漬改性的環(huán)氧樹脂的工藝方法進一步提高其致密度和強度。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，并且對模具的強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劑的金屬粉末，使粘結劑軟化并粘結金屬顆粒，如此層層堆積粘結成形零件形坯，其成形原理如圖1所示。然后，對形坯進行脫脂、高溫燒結、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進行混合，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三維實體結構模型以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)方法無法對其進行加工。
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、單層厚度及預熱溫度。預熱溫度應接近粘結劑的熔點，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。通過對試驗中的粘結劑材料進行示差掃描量熱(DSC)分析，該樹脂的熔點在65℃左右，因此預熱溫度控制在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。粘結劑的粘結狀況與激光能量密度相關，能量密度的表達式如公式(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，零件的強度只同激光功率相關。最終的激光功率確定為14W，形坯的強度可達14.95MPa。激光粘結后的金屬粉末顆粒的粘結狀況照片如圖4所示，可見，金屬粉末基本上為樹脂所粘結包覆。形坯隨形冷卻水道中存在未燒結的松散粉末，可以用真空吸塵設備將其吸出。
1.3模具形坯的脫脂
粘結劑材料的熱分解分析(TGA)在氮氣環(huán)境下進行，升溫速率為10℃/min，溫度達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，形坯脫脂時分解量大且速度快的溫度段，升溫時間稍長一些，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，避免氣化膨脹對形坯金屬顆粒的沖擊。試驗將脫脂的最高溫度設為800℃，依照TGA曲線，樹脂可以完全分解脫去，可以使形坯得到預燒結，金屬顆粒間通過燒結頸連接并具有一定的強度，且可以搬運。
1.4脫脂坯的高溫燒結
形坯脫脂后放在真空爐中進行高溫燒結，提高形坯的強度。燒結的最高溫度為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。燒結后形坯的孔隙度為46%左右，燒結坯的表面粗糙度Ra為2.5～5.0μm，燒結后的模具如圖6所示。
1.5浸漬改性環(huán)氧樹脂
將模具高溫燒結形坯和滲料一同放在可抽真空的恒溫箱中預熱，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Ra<μm。
2模具強度和精度分析
模具的強度主要來源于脫脂形坯的高溫燒結和浸漬改性環(huán)氧樹脂后的固化。高溫燒結后，模具是多孔材料，多孔材料的強度可由經(jīng)驗公式(2)表示：
σ=Cσ0f(ρ)
式中：σ是多孔材料的強度；σ0是對應于多孔材料致密材質(zhì)的強度；f(ρ)是與多孔材料密度相關的函數(shù)，C是常數(shù)。從公式(2)中可以看出，多孔材料的強度與其致密度相關�？梢酝ㄟ^成形較細的金屬粉末和減少粘結劑含量提高形坯材料的致密度，從而增加其強度。浸漬樹脂并固化后，模具形坯材料的金相組織光學顯微照片如圖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，模具材料的強度是上述兩種多孔材料強度非線性疊加的結果。由上述材料制成的模具沒有純金屬模具強度高，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：高分子粘結劑顆粒的脫除；高溫燒結。前者可以通過減小粘結劑的含量和細化粘結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燒結溫度損失部分強度來實現(xiàn)。此外，還可以將收縮信息反饋給CAD三維模型進行尺寸補償來控制收縮。
3結論
采用間接SLS方法，以普通鐵粉為成形原料，經(jīng)高溫燒結和浸漬改性環(huán)氧樹脂，可以制造注塑模具。這種方法綜合了RP&M技術的快捷性和SLS技術自身的優(yōu)點，可在一周之內(nèi)制造出具有內(nèi)置復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一步提高。 |
|
|
|
文章編輯：【蘭格鋼鐵網(wǎng)】www.shushitongpu.cn |
|
|
|
