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标题: 镭射造型复合加工技术在注塑模具的最新应用 [打印本页]

作者: iCAx开思网 时间: 2012-6-4 13:23
标题: 镭射造型复合加工技术在注塑模具的最新应用
中文摘要
金属粉末镭射造型复合加工技术把金属粉末选择性镭射熔化（Selective Laser Melting, SLM）的叠层造型工艺和传统的高速切削加工工艺融为一体，是叠层造型和去除加工的相反方向加工手法的复合化，综合集成了材料技术、计算机软件技术、镭射技术和数控加工技术。
与以往单纯的金属粉末选择性镭射熔化叠层造型技术相比，其特点在于可以一次性并且一体化地加工完成具有内部异型水路和排气功能，但表面形状复杂、难于实施后续加工的精密模具零件。加工尺寸精度可达到±0.005mm，热处理后的材质硬度可达到Hrc50。利用由此加工而成的模具零件，可极为有效地缩短模具冷却时间，排除模内困气，达到提高注塑成型效率、改善塑件品质的目的。

关键词:：金属粉末、镭射熔化、叠层造型、切削加工、异型水路、冷却缩短、模内排气。

一、前言
随着全球化竞争的加剧以及消费者需求的不断多样化，在以笔记本电脑和手机为主的IT 相关产业，以及家电、汽车等行业，产品的生命周期正变得越来越短，与此相伴随的新产品开发周期也被大幅度地缩短。例如，原来大致为2 个月的注塑模具开发周期，往往被压缩到3 周左右时间，所谓的超短交货期现象正变得越来越普遍。由此，对模具的设计和制造周期，以及对注塑生产周期都提出了更高的要求。
在此背景之下，近年来把快速成型（RapidPrototyping，RP）技术应用到注塑模具制造领域的努力一直没有间断过。尤其在欧洲，已经从把属于RP 技术之一的金属粉末的选择性镭射烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术或者选择性镭射熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术用于直接制造金属零件，发展到尝试着用于直接制造注塑模具的零件。

SLM技术的工艺过程原理与SLS技术基本相同，即都是使用镭射有选择地照射预先铺展好的金属粉末，并不断地重复铺粉与照射的过程，从而逐渐叠层造型，最后制成所需形状的金属零件。

两者的区别，在于所使用的金属粉末有所不同。

SLM 技术不需要脱脂、浸渗等后续工艺，可以一步达成金属的熔化结合。最新研究表明，用SLM技术造型特定的几种材料，能够达到近乎100%的致密度。造型材料包括316L 不锈钢、钛和钛合金、工具钢、钴铬合金、铜合金、铝合金等。

SLM 技术用于制造注塑模具零件的好处在于，其具有良好的加工柔性，可以借助于计算机辅助软件，在模具内部加工出任意形状的异型水路。这样的异型水路将会有助于改善模具冷却状况，缩短注塑成型周期，提高塑件品质。

但是，SLM技术造型过程中的一些固有缺陷，比如，镭射扫描过程中熔池飞溅、球化和粘粉等因素导致造型零件的尺寸精度不够，表面粗糙度也较高。这成为了限制该项技术广泛应用的一个重要因素。虽然通过精加工或者电火花加工等后处理的方法可以大大提高表面质量，但针对一些内腔表面复杂，比如，具有微细深槽的精细零件，造型之后的处理或根本无法进行、或将可能导致造型零件损坏。

本文介绍的金属粉末镭射造型复合加工技术正是为了弥补SLM 技术的这些不足之处，由日本松下电工最初开发出来的。如今，经过在日本的数年发展成熟，在数家日本公司的共同努力下，这项新技术已经进入到实用阶段。
下面将分成数节，简要介绍这项新技术的原理、特点及其应用案例。

作者: iCAx开思网 时间: 2012-6-4 13:24
二、金属粉末镭射造型复合加工技术简介
所谓[复合加工技术]，是指把选择性镭射熔化叠层造型工艺和高速切削加工工艺融为一体，是一种新型的加工技术。
新技术的加工装置内部如图1 所示。（图1）其加工顺序是：
①用镭射熔化铺展在金属底板上的金属粉末；
②重复铺展金属粉末和进行镭射溶化，逐层叠加造型使叠层厚度达到切削刀具的有效刃长；
③对叠层侧面用小直径切削刀具施以切削加工；
④反复进行镭射熔化、叠层造型和高速切削加工；
⑤最终做出具有精密加工表面的立体形状造型。
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图1、加工装置和加工顺序说明图

作者: iCAx开思网 时间: 2012-6-4 13:27

所以，此项新技术是叠层造型和去除加工的相反方向加工手法的复合化，综合集成了材料技术、计算机软件技术、镭射技术和数控加工技术。与以往单纯的金属粉末选择性镭射熔化叠层造型技术相比，其加工尺寸精度可达±0.005mm 以下，热处理后的材质硬度可达到Hrc50 以上。（图2）

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（A）（B）
图2、SLM 技术(A)与复合加工技术(B)比较

此复合加工技术既具有高度的柔性，又具有足够的加工精度，其特点在于可以一次性并且一体化地加工完成具有内部异型水路和排气功能，但表面形状复杂、难于实施后续加工的精密模具零件。所以，可以依据CAE 软件的分析结果，在模具零件内部合理地构筑冷却水路和排气通道，极为有效地缩短模具冷却时间，排除模内困气，达到提高注塑成型效率、改善塑件品质的目的。图3 是此项新技术的最新应用案例。这是手提式电动工具外壳的模仁，按照传统加工手法，需要分割成20 个组件，制造100 种电极（分成粗加工100 个，精加工100 个），工期大致需要35天-40 天。可是，利用复合加工技术，不需要分割，也不需要电极，就可以一步到位地把模仁加工成形，工期可以缩短到15 天甚至10 天。而且，模仁内部还均布了横截面为圆形的三维冷却水路，可以极大地改善模具的冷却效果。（图3）

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图3、复合加工技术的最新应用案例

因此，金属粉末镭射造型复合加工技术，尤其适合于精密注塑产品模具的加工制造。下文例举3 种案例来说明其应用效果。

作者: iCAx开思网 时间: 2012-6-4 13:31

三、模具冷却水路浇口套之案例
【事例】螺旋水路浇口套冷却时间减少60%从注塑模具的结构来看，主流道的四周，也就是浇口套部分往往是蓄热现象最严重的。这是因为浇口套与高温的注塑机喷嘴直接接触﹐是模具中最初被注入高温熔融树脂的部位。尤其是遇到薄壁、小型产品的模具，由于难以对浇口套采取冷却措施，主流道部分常常比产品部分更为耗费冷却时间。
利用金属粉末镭射造型复合加工技术，可以在浇口套内部设置冷却水路。如果再配置专用温调机，并根据注塑机成型周期调节水流进出，将能对主流道部分实施快速有效的冷却。（图4）

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图4、具冷却水路浇口套及其用法

图5 的事例显示，对于某些特定产品，使用具冷却水路的浇口套，有可能给模具带来出奇制胜的冷却改善效果。根据大量案例的经验，产品厚度1.6mm 是一个分歧点，越小于这个厚度的产品，浇口套的冷却改善效果就越显着。（图5）

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图5、具冷却水路浇口套的冷却改善事例

作者: iCAx开思网 时间: 2012-6-4 13:36
四、具异型水路模具零件之案例
【事例】汽车辅助油箱冷却时间减少60%
图6 所示汽车辅助油箱的喷射泵(JP)零件和溢流部(OF)零件，是用金属粉末镭射造型复合加工技术制成的。由于在用传统方法难于冷却的狭窄零件内部设置了异型水路，使得整个模具的冷却时间从原来的25 秒缩短到10 秒。
（图6）另外，图中的圆座部分和SNAP FIT 部分的注塑零件尺寸精度也提高了。（参照表1）
表1 冷却性能评价结果

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图6、汽车辅助油箱的冷却改善事例

作者: iCAx开思网 时间: 2012-6-4 13:38
五、具透气功能模具零件之案例
【事例】多孔质表面层模内排气和气辅通路金属粉末镭射造型复合加工技术所具有的加工柔性，使其不但可以在模具内部构筑起任意形状的异型水路，还可以通过镭射控制金属粉末的熔化程度，以求达到控制造型零件致密度的效果。利用这一技术，就可以在模具的任选位置上构造出具有稀松致密度的多孔质层，用于排除模内困气。甚至可以用作为气辅成型时的腔内进气部位。图7 就显示了一种具多孔质表面层的透气杆被装入模腔内，用于模内排气和气辅进气。（图7）
图8 表示了利用这个模具进行模内排气和气辅实验时的系统构成及其实验结果。（图8）

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图7、具多孔质表面层透气杆及其模具

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图8、排气+气辅成型系统及其实验结果

＜气辅防止缩痕的工作原理＞
首先利用金属粉末镭射造型复合加工技术，在模仁的筋板底部构筑多孔质层，并且在模具中镶入带有多孔质顶层的透气杆。注塑成型时通过注入高压气体，从模仁面的透气杆顶端面以及筋板底部的多孔质层部分向塑料成型表面施加气体压力，使注塑产品被压向型腔面，从而消除产品外观表面的缩痕。图8 的实验结果显示，通过气辅的作用，产品外观表面的缩痕不再出现了。

作者: iCAx开思网 时间: 2012-6-4 13:45
六、结论
与以往单纯的金属粉末选择性镭射熔化叠层造型技术相比，本复合加工技术既保留了柔性加工的优点，又发挥了高速切削加工精度好的特长。其特点在于可以一次性并且一体化地加工完成具有内部异型水路和排气功能，但表面形状复杂、难于实施后续加工的精密模具零件。其加工尺寸精度可达±0.005mm 以下，热处理后的材质硬度可达Hrc50 以上，足以符合精密注塑模具的量产水准要求，大大地拓展了RP 技术在注塑模具制造行业中的应用可能性，为塑胶成型行业的广大客户提供了一种极为宝贵的新型模具加工技术。
通讯作者: 杨青
连络电话: ＋86-21-54423111
电子信箱: mmt-yq@matsui.com.cn

七、参考文献
1〃阿部论等，金属光造形复合加工システムによる高机能射出成形金型制作，松下电工技术，Vol.53 No.2，p5-11
2〃不破勲等，低密度层からなるガスベントを有する金属光造形金型，松下电工技术，Vol.55No.2，p17-22
3〃浅析金属粉末镭射造型复合加工技术，塑胶及金属，2011 年第2 期，p26-27
4〃金属光造形复合加工法のシステム高度化と射出成形金型への応用型技术第20 巻第10 号2011 年10 月号，p60-64

八、谢志
感谢株式会社OPM 研究室提供数据与图片。

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