快速造模技術(shù)的發(fā)展動態(tài)和技術(shù)瓶頸
信息來源：減速機(jī)信息網(wǎng) 責(zé)任編輯：zhaoyanping
|
快速模具技術(shù)中的“快速”最初指的是模具能比傳統(tǒng)加工快得多地被制造出來。這依然是正確的亡谭。但在最近幾年中潜叛，快速模具技術(shù)發(fā)展成為了能提供周期比傳統(tǒng)技術(shù)快出40%的制模技術(shù)锨耍≡眩快速模具技術(shù)的用途由原型變換到充分生產(chǎn)用工裝。 較新的快速模具方法能減少或消除由不均勻冷卻引起的變形和內(nèi)部張力栓拜，同時通過從模具中厚的部分或其它難于冷卻的地方提取熱量姓建，如凸起或筋條，來提高生產(chǎn)力蛇损。對較新高導(dǎo)熱率模具的試驗發(fā)現(xiàn)赁温，成型周期中的冷卻時間可被設(shè)定至零，而工藝仍會產(chǎn)出可接受的部件淤齐。 傳統(tǒng)制模受到兩個因素的限制：一是標(biāo)準(zhǔn)模具鋼如H-13股囊、 P-20或不銹鋼的導(dǎo)熱性一般，選用它們主要是為了硬度和防腐蝕更啄。冷卻也受到模架中直接深孔鉆槽的可靠性所限制稚疹。傳統(tǒng)的制模業(yè)者可能嘗試著用鈹銅或其它導(dǎo)熱性強(qiáng)的銅合金嵌件、二次冷卻通道或較深模芯中的出水口祭务、以及能進(jìn)入到模具主體內(nèi)部并吸取熱量的導(dǎo)熱管或“熱銷”内狗，來克服這些限制。
一些傳統(tǒng)制模用到的導(dǎo)熱合金有著高達(dá)30-40 Rc的硬度值，接近于P-20號鋼。也有一些將銅合金和鋁預(yù)硬化至相似水平的方法肿车。但是今天的快速模具技術(shù)在雙金屬結(jié)構(gòu)中把導(dǎo)熱性金屬與模具鋼相結(jié)合厌哈，提供的導(dǎo)熱率高，硬度達(dá)50-80Rc到讽，相當(dāng)于H-13號鋼或更好钟肴。 關(guān)于硬質(zhì)但導(dǎo)熱性強(qiáng)金屬的新成果能對快速模具被接受程度產(chǎn)生所需要的提升，快速造模已經(jīng)激發(fā)了很大的關(guān)注保媒，但被制模業(yè)者或成型業(yè)者采用的情況一般苏狠。對于多數(shù)部件，快速模具技術(shù)已經(jīng)在原型以及小規(guī)模生產(chǎn)中得到應(yīng)用”倩瑁現(xiàn)在钻宠，所謂“橋”式模具應(yīng)用和大規(guī)模作業(yè)被快速模具所把握』窳校基本上谷市，現(xiàn)在的目標(biāo)是要在較高的冷卻速率之下獲得相同的模具壽命，而周期更快击孩。 條條道路通往快速模具 快速模具技術(shù)的范圍包括了生產(chǎn)雙金屬模具或嵌件的四種截然不同之方法迫悠。一些形成具有模具鋼材料表面層的嵌件和導(dǎo)熱金屬材料的模芯。POM集團(tuán)提供“直接金屬沉積（dmd）”工藝巩梢，它是噴涂金屬粉末的同時用激光進(jìn)行熔化创泄。快速模具技術(shù)供應(yīng)商RSP公司利用的是“快速凝固工藝”括蝠，一種金屬噴涂方法鞠抑。ExOne公司利用一種金屬印刷工藝來為D-M-E公司生產(chǎn)模具嵌件，產(chǎn)品名稱為“模熔（MoldFusion）”又跛。 激光燒結(jié)技術(shù)被用來制造模具嵌件碍拆，它們不是分層的，而是鋼與導(dǎo)熱金屬的混合物慨蓝。 外，所謂梯度模具或嵌件由一種金屬所制成端幼。EOS在制模時能操控導(dǎo)熱性模具鋼的密度與機(jī)械性能從而制成“殼－芯”結(jié)構(gòu)缩髓。 做出與部件表面輪廓相符合的模具冷卻流道對于所有這些快速模具技術(shù)都是常見的。這種冷卻有可能從傳統(tǒng)冷卻流道難于靠近的區(qū)域取走熱量王捧，它可能會引起所需冷卻管線總數(shù)的降低学释，有可能節(jié)省裝模時間。 仿形冷卻與傳統(tǒng)冷卻管線相比匹忙，有著明顯的優(yōu)勢粱思。傳統(tǒng)管線被限制為圓孔與直管，位置被其它模具零件所限制。在一定范圍內(nèi)槐芹，仿形冷卻管線可以是所想要的任何形狀海拾，也可以如希望的進(jìn)行彎曲。它們可以被布置在其它模具零件四周填阅，出入口位置可以進(jìn)行有目的地確定好眉脖。 POM集團(tuán)的業(yè)務(wù)經(jīng)理Jerry Janson稱：“仿形冷卻對于我們所有顧客來說并不是萬能藥，所以我們與許多大客戶一起合作來達(dá)到成功茶壹。我們已經(jīng)對仿形冷卻展開了研究工作头趴，所縮短周期時間的幅度由8%上升到40%∨剌铮”很多工作因為與顧客的不公開協(xié)議而被保密东抹，但Janson引用了具有仿形冷卻的模具在汽車中的應(yīng)用這樣一個例子，它將塑件周期時間由54秒縮短至36秒沃测，降幅達(dá)三分之一府阀。 不只是用于原型 快速模具技術(shù)正在規(guī)模生產(chǎn)中證明自己。POM集團(tuán)建造了直接金屬沉積模具芽突，已經(jīng)生產(chǎn)出50萬-100萬只塑件试浙。它的模具已被用于PC、TPO和PP納米復(fù)合物的成型寞蚌。 E OS公司稱其“直接金屬激光燒結(jié)(dmls)” 工藝被用于制造帶仿形冷卻的模具田巴，來生產(chǎn)高爾夫球。四腔模具運(yùn)行500萬次周期挟秤、生產(chǎn)2000萬只球不會出現(xiàn)問題壹哺。直接金屬激光燒結(jié)也被用于幾十萬只玻璃填充PBT材料的插座的生產(chǎn)模具當(dāng)中。 雙金屬壓條法 POM集團(tuán)的“直接金屬沉積技術(shù)”生產(chǎn)出金屬粉末材料密集度達(dá)99.8%的模具部件艘刚。該工藝于1998年被商業(yè)化管宵，利用了5kw功率的激光與粉末狀模具鋼(D-2、 H-13悲尝、P-20宇涵、不銹鋼或其它許多種類)。為了做出高導(dǎo)熱率的模具或零件吐梗，第一步就是要由類似Ampco 940鉻銅合金的導(dǎo)熱性金屬做出模芯突仆。然后鋼殼通過直接金屬沉積方法被沉積在模芯上。
POM集團(tuán)提供五軸直接金屬沉積機(jī)器法希，工作面積為1×2×0.75米。根據(jù)所用粉末金屬合金的不同靶瘸，直接金屬沉積能生產(chǎn)出表面硬度高達(dá)62Rc的鋼質(zhì)模殼苫亦。因為這樣，POM能利用其技術(shù)來修理損壞的模具怨咪。如果因為塑件設(shè)計變化而對模具進(jìn)行修正屋剑，那么只能切削掉有待改變的區(qū)域，新的形狀被直接以直接金屬沉積方法添加到模具中诗眨，并被加工成最終的尺寸唉匾。不同于傳統(tǒng)的重造模具，沒必要讓整個模具經(jīng)歷熱處理來硬化重造部分匠楚。而且巍膘，直接金屬沉積可以被用來將仿形冷卻流道加入到老式模具的滑塊、嵌件等當(dāng)中芋簿，來縮短周期時間修鲤。 美國肯塔基州路易斯維爾大學(xué)的快速原型中心擁有一套來自POM的直接金屬沉積系統(tǒng)，并對鉻銅與H13號鋼的雙金屬模具進(jìn)行廣泛的測試扎瞧，來評估模具壽命與整體性能乓记。單模腔模具運(yùn)用PP材料的冷卻時間為零，將整體周期由27秒縮短至22秒草颤，同時仍然生產(chǎn)出可接受的塑件锌筝。該中心也正在測試直接金屬沉積模具用于鋁質(zhì)鑄模的能力，其加工環(huán)境要苛刻得多旅峰。 另一個關(guān)于雙金屬壓條法的快速模具工藝是RSP的“工藝”滞逼，這是一種金屬噴涂沉積方法，可生產(chǎn)99.5%-99.8%完全密集的模芯與模腔念距。依靠立體平版印刷或其它快速原型工藝，快速凝固工藝使用了陶瓷模型黔晶。熔化的鋼被注入到噴嘴中董容，在這里它會與惰性氣體的管道流相遇，氣體把18”-24”大小的小滴傳送到塑件表面。小滴快速地冷卻衍震，并當(dāng)碰到模型時就會立即凝固下來味滞。噴嘴能沉積材料的速度達(dá)到500lb/hr。噴涂沉積過程逼真地模仿表面細(xì)節(jié)钮呀。為了形成殼/芯結(jié)構(gòu)剑鞍，被沉積的鋼升溫，然后一層銅合金被噴涂在鋼的上面爽醋。通過停止噴涂過程蚁署、放置銅管、裝入更多被噴涂的金屬蚂四，仿形冷卻管線就可以被添加到模具中光戈。 對鋼層進(jìn)行噴涂首先使待建造的層面均勻，這將從成型表面均衡地轉(zhuǎn)移熱量遂赠【米保縱貫?zāi)＞叩你~層厚度不一樣，銅占據(jù)了嵌件的整個深度跷睦。 鋼與銅之間的結(jié)合通過粗糙的噴涂技術(shù)而形成筷弦，所以鋼的敞開面極為粗糙。當(dāng)銅被噴涂在鋼上時抑诸，它會滲透到隱蔽處和裂縫中友移，形成堅固的物理性結(jié)合，盡管不是一種冶金學(xué)上的結(jié)合署咸。 可以在幾分鐘內(nèi)建造出尺寸公差小于±0.002”的模具零件躺沽。塑件可以做成7”×7”×4”的大小，并設(shè)計了生產(chǎn)能力更大的機(jī)器铜乱。 RSP公司的工藝可以用上至少10種不同的模具鋼與更軟的材料满盔。當(dāng)使用H13號鋼時，模具硬度能超過傳統(tǒng)熱處理H13號鋼的60Rc馏舰。這要?dú)w因于被噴涂小滴的快速淬火影響著顆料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度嗡吸。RSP模具也可以被熱處理與回火。 RSP正在對具有更高硬度的鉻含量高的金屬進(jìn)行評估便浮，也在測試Inconel哩拒，一種高溫型防腐蝕鎳/鉻/鐵合金。進(jìn)一步的發(fā)展也將在噴涂過程時提供混合不同金屬的能力尤痒。
“選擇性激光燒結(jié)（SLS）”是由DTM公司于1996年商業(yè)性推出的模具工藝曾谁。DTM被三維系統(tǒng)公司所收購。為實現(xiàn)快速模具悔叽，該工藝首先用聚合物粘合劑做出了鋼粉材料的“綠色”部件莱衩。該部件是通過粉末的快速燒結(jié)以薄層狀建造起來的爵嗅，作為源自CAD模型的激光跟蹤路徑。綠色部件被置于脫粘爐當(dāng)中笨蚁，在這里粘合劑被燒掉睹晒。然后部件中的空間被熔化的銅與鋼的滲透所填充。最后的步驟就是加熱燒結(jié)與最終部件的退火括细。 這個工藝一般產(chǎn)生出含60%的鋼與40%的青銅的均一部件伪很，硬度達(dá)39Rc。近網(wǎng)狀部件在脫粘步驟之后幾乎沒有經(jīng)歷皺縮奋单。這是一個完全致密的部件锉试，不怎么需要打磨之外的后加工。 三維系統(tǒng)公司為選擇性激光燒結(jié)提供兩種不銹鋼粉末：420號不銹鋼Laserform ST-100辱匿，和不銹鋼成分不一樣的Laserform ST-200键痛。新型Laserform A6粉末由低碳鋼粒與粘合系統(tǒng)所組成。 該公司正在為選擇性激光燒結(jié)探尋新的滲透材料匾七，包括鈹銅絮短、鎳/硅/鉻/銅合金Ampco 940、碳化鎢與鋁污涤、硅青銅饶饿，據(jù)稱能造出的模具比傳統(tǒng)模具的冷卻速度高出40%。 同時狰娱，三維金屬“印制”工藝?yán)昧藝娔焖僭图夹g(shù)的變體湘涉，創(chuàng)造出由粉末鋼層和熱固化聚合物型粘合劑所組成的模具。該工藝是由提供金屬沉積機(jī)械的Extrude Hone公司于2000年實現(xiàn)商業(yè)化的劈耽。 維印刷工藝把一層不銹鋼粉末在建模表面上展開若棒，然后利用噴墨型打印機(jī)頭將聚合物粘合劑的式樣沉積在粉末表面上。集成燈迅速地將鋼粉上的粘合劑干燥拆楣。另一層粉末與粘合劑然后就在第一層上沉積的唆，重復(fù)以上步驟。該部件被放置在燒結(jié)爐當(dāng)中浅仑，粘合劑于其中被燒掉求瞎，金屬顆粒被熔合在一起。接著“綠色”被燒結(jié)部件被銅所滲透屿扮，實現(xiàn)完全的充分致密性睦作。 結(jié)果就是近網(wǎng)狀的部件，一般是含60%的鋼與40%的青銅叹放，強(qiáng)度饰恕、可壓縮性與硬度（約30Rc）都接近P20號鋼。最大尺寸是8”×8”×6”井仰。模具的基本公差小至±0.005”懂盐，在部件整個長度上的變化率是0.002褥赊。該模具可以被切削糕档、鉆孔莉恼、打磨、涂層或電鍍速那。 ExOne公司也選擇對材料進(jìn)行燒結(jié)俐银，實現(xiàn)不用滲透的充分致密性。創(chuàng)造不含銅的全不銹鋼部件將硬度提高到了55Rc端仰，但它降低了熱導(dǎo)性捶惜，引起15%的線性皺縮，而當(dāng)部件被滲透時的皺縮率只有1%荔烧。在任何情況下吱七，模具在大約幾天時間內(nèi)就能被做出來。 ExOne正在對幾種新的制模材料進(jìn)行評估社殉，包括模具鋼陷龟、不同的不銹鋼/銅組合、含有改進(jìn)硬化的添加劑的傳導(dǎo)性合金扑认。對仿形冷卻的研發(fā)是一個重要焦點逻事。ExOne公司用金屬印制工藝所產(chǎn)嵌件的近四分之三具有仿形冷卻。 快速模具為人們所熟悉 冷卻增強(qiáng)的模具比傳統(tǒng)模具的價格要高于10%-30%犯舆。但是畜溺，快速模具供應(yīng)商稱成型業(yè)者將看到通過更快冷卻與更高生產(chǎn)力所帶來的快速投資回報。但不是所有的快速模具公司稱他們的模具成本更高壮僵。RSP公司稱其工藝比加工模具更為便宜理章，所以出來的成本接近普通模具。 高導(dǎo)熱性快速模具的雙金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一些在粘合清腌、熱應(yīng)力厂均、膨脹收縮系數(shù)、可能分層等方面的問題幸亭，它們有可能約束一些成型業(yè)者嘗試使用快速模具仗扬。但快速模具供應(yīng)商們已經(jīng)對如何與何處使用他們的技術(shù)表現(xiàn)出謹(jǐn)慎，他們稱不懈的研發(fā)努力的目標(biāo)是要改進(jìn)他們的技術(shù)蕾额。 “我們正在研究改進(jìn)鋼與銅之間結(jié)合的方法早芭，” RSP公司的Knirsch說，“我們有幾種模具將投入生產(chǎn)诅蝶，它將是在頂部有H13號模具鋼的非合金銅退个。我們擁有的數(shù)據(jù)顯示冷卻將快出兩成到三成〉骶妫” POM開發(fā)出了專用的粘合層语盈，來減少兩種金屬間的分層舱馅，而同時像RSP的一些企業(yè)依賴于模具制造過程中金屬之間形成的物理性粘合。ExOne公司的三維金屬印刷工藝?yán)昧讼嗳菪圆牧系痘模詼p少分層的機(jī)率代嗤。銅合金與不銹鋼相容，令銅滲入到不銹鋼的結(jié)構(gòu)當(dāng)中缠借。 有些成型業(yè)者可能擔(dān)心復(fù)合金屬表面是否有足夠的硬度來應(yīng)對苛刻的成型作業(yè)干毅。一個佐證是由選擇性激光燒結(jié)法（SLS）生產(chǎn)出來的模具。許多快速模具用戶不對模具進(jìn)行熱處理泼返，而是對沒有問題的表面鍍鉻或鍍鎳等盏。但是，電鍍增多了一個步驟沥卦，延長了模具交貨時間缩睛。 3D Systems公司相信即使未電鍍的SLS模具也將表現(xiàn)出良好的耐磨性能。滲透性銅具有一定的耐磨性辩钢，可用作潤滑劑辉召。一些用戶用該公司的模具已經(jīng)看到了比傳統(tǒng)材料更好的耐磨效果。 為使快速模具達(dá)致成功吹兴，成型業(yè)者需要學(xué)會如何正確使用它們骑枯。必須注意不要快速冷卻模具，否則可能不會獲得恰當(dāng)?shù)奶畛涫┚尽＠美鋮s增強(qiáng)型方法的成型業(yè)者可能必須提高注射壓力和速度涡税，來調(diào)節(jié)成型工藝，從而確保材料在模具內(nèi)到達(dá)填充的盡端交某。他們可能還必須提高樹脂的溫度醇锌。幾家供應(yīng)商正在研究計算機(jī)模擬技術(shù)或其它有限元分析軟件，來開發(fā)針對雙金屬組成模具的工藝模式麻诀。 優(yōu)化熱導(dǎo)性模具的成型過程可能需要改變螺桿速度痕寓、模具頂出速度、模具開合速度蝇闭、熱嘴溫度呻率、模溫和冷卻時間。 乏對仿形冷卻工作原理的了解只會令成型者更快地做出許多劣質(zhì)部件呻引。隨著更多的模具表面接近冷卻流道礼仗，較薄部位可能太迅速地冷卻，然后就翹曲逻悠。較好的方法是把冷卻流道移至靠近有熱點的模腔元践，并向后退一段合理距離。 另一個棘手問題是在快速模具中應(yīng)用模具鋼與熱導(dǎo)性金屬的什么有關(guān)性能。如果是對玻璃填充尼龍這樣的結(jié)實材料進(jìn)行成型单旁，就需要有足夠的模具鋼來應(yīng)付磨損沪羔。但加的模具鋼越多，傳熱系數(shù)就越小象浑。POM公司稱他們一般在導(dǎo)熱性材料頂部應(yīng)用0.06”-0.1”的模具鋼蔫饰。其它供應(yīng)商稱這要根據(jù)產(chǎn)品、冷卻程度或顧客所需耐磨性而變化 |
