快速造模技術的發(fā)展動態(tài)和技術瓶頸
信息來源：減速機信息網 責任編輯：zhaoyanping
|
快速模具技術中的“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。但在最近幾年中，快速模具技術發(fā)展成為了能提供周期比傳統(tǒng)技術快出40%的制模技術。快速模具技術的用途由原型變換到充分生產用工裝。 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部張力，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，如凸起或筋條，來提高生產力。對較新高導熱率模具的試驗發(fā)現，成型周期中的冷卻時間可被設定至零，而工藝仍會產出可接受的部件。 傳統(tǒng)制模受到兩個因素的限制：一是標準模具鋼如H-13、 P-20或不銹鋼的導熱性一般，選用它們主要是為了硬度和防腐蝕。冷卻也受到模架中直接深孔鉆槽的可靠性所限制。傳統(tǒng)的制模業(yè)者可能嘗試著用鈹銅或其它導熱性強的銅合金嵌件、二次冷卻通道或較深模芯中的出水口、以及能進入到模具主體內部并吸取熱量的導熱管或“熱銷”，來克服這些限制。
一些傳統(tǒng)制模用到的導熱合金有著高達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硬化至相似水平的方法。但是今天的快速模具技術在雙金屬結構中把導熱性金屬與模具鋼相結合，提供的導熱率高，硬度達50-80Rc，相當于H-13號鋼或更好。 關于硬質但導熱性強金屬的新成果能對快速模具被接受程度產生所需要的提升，快速造模已經激發(fā)了很大的關注，但被制模業(yè)者或成型業(yè)者采用的情況一般。對于多數部件，快速模具技術已經在原型以及小規(guī)模生產中得到應用。現在，所謂“橋”式模具應用和大規(guī)模作業(yè)被快速模具所把握。基本上，現在的目標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。 條條道路通往快速模具 快速模具技術的范圍包括了生產雙金屬模具或嵌件的四種截然不同之方法。一些形成具有模具鋼材料表面層的嵌件和導熱金屬材料的模芯。POM集團提供“直接金屬沉積（dmd）”工藝，它是噴涂金屬粉末的同時用激光進行熔化�？焖倌＞呒夹g供應商RSP公司利用的是“快速凝固工藝”，一種金屬噴涂方法。ExOne公司利用一種金屬印刷工藝來為D-M-E公司生產模具嵌件，產品名稱為“模熔（MoldFusion）”。 激光燒結技術被用來制造模具嵌件，它們不是分層的，而是鋼與導熱金屬的混合物。 外，所謂梯度模具或嵌件由一種金屬所制成。EOS在制模時能操控導熱性模具鋼的密度與機械性能從而制成“殼－芯”結構。 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，它可能會引起所需冷卻管線總數的降低，有可能節(jié)省裝模時間。 仿形冷卻與傳統(tǒng)冷卻管線相比，有著明顯的優(yōu)勢。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，仿形冷卻管線可以是所想要的任何形狀，也可以如希望的進行彎曲。它們可以被布置在其它模具零件四周，出入口位置可以進行有目的地確定好。 POM集團的業(yè)務經理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到成功。我們已經對仿形冷卻展開了研究工作，所縮短周期時間的幅度由8%上升到40%�！焙芏喙ぷ饕驗榕c顧客的不公開協(xié)議而被保密，但Janson引用了具有仿形冷卻的模具在汽車中的應用這樣一個例子，它將塑件周期時間由54秒縮短至36秒，降幅達三分之一。 不只是用于原型 快速模具技術正在規(guī)模生產中證明自己。POM集團建造了直接金屬沉積模具，已經生產出50萬-100萬只塑件。它的模具已被用于PC、TPO和PP納米復合物的成型。 E OS公司稱其“直接金屬激光燒結(dmls)” 工藝被用于制造帶仿形冷卻的模具，來生產高爾夫球。四腔模具運行500萬次周期、生產2000萬只球不會出現問題。直接金屬激光燒結也被用于幾十萬只玻璃填充PBT材料的插座的生產模具當中。 雙金屬壓條法 POM集團的“直接金屬沉積技術”生產出金屬粉末材料密集度達99.8%的模具部件。該工藝于1998年被商業(yè)化，利用了5kw功率的激光與粉末狀模具鋼(D-2、 H-13、P-20、不銹鋼或其它許多種類)。為了做出高導熱率的模具或零件，第一步就是要由類似Ampco 940鉻銅合金的導熱性金屬做出模芯。然后鋼殼通過直接金屬沉積方法被沉積在模芯上。
POM集團提供五軸直接金屬沉積機器，工作面積為1×2×0.75米。根據所用粉末金屬合金的不同，直接金屬沉積能生產出表面硬度高達62Rc的鋼質模殼。因為這樣，POM能利用其技術來修理損壞的模具。如果因為塑件設計變化而對模具進行修正，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，并被加工成最終的尺寸。不同于傳統(tǒng)的重造模具，沒必要讓整個模具經歷熱處理來硬化重造部分。而且，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、嵌件等當中，來縮短周期時間。 美國肯塔基州路易斯維爾大學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行廣泛的測試，來評估模具壽命與整體性能。單模腔模具運用PP材料的冷卻時間為零，將整體周期由27秒縮短至22秒，同時仍然生產出可接受的塑件。該中心也正在測試直接金屬沉積模具用于鋁質鑄模的能力，其加工環(huán)境要苛刻得多。 另一個關于雙金屬壓條法的快速模具工藝是RSP的“工藝”，這是一種金屬噴涂沉積方法，可生產99.5%-99.8%完全密集的模芯與模腔。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。熔化的鋼被注入到噴嘴中，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，并當碰到模型時就會立即凝固下來。噴嘴能沉積材料的速度達到500lb/hr。噴涂沉積過程逼真地模仿表面細節(jié)。為了形成殼/芯結構，被沉積的鋼升溫，然后一層銅合金被噴涂在鋼的上面。通過停止噴涂過程、放置銅管、裝入更多被噴涂的金屬，仿形冷卻管線就可以被添加到模具中。 對鋼層進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移熱量�？v貫模具的銅層厚度不一樣，銅占據了嵌件的整個深度。 鋼與銅之間的結合通過粗糙的噴涂技術而形成，所以鋼的敞開面極為粗糙。當銅被噴涂在鋼上時，它會滲透到隱蔽處和裂縫中，形成堅固的物理性結合，盡管不是一種冶金學上的結合。 可以在幾分鐘內建造出尺寸公差小于±0.002”的模具零件。塑件可以做成7”×7”×4”的大小，并設計了生產能力更大的機器。 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。當使用H13號鋼時，模具硬度能超過傳統(tǒng)熱處理H13號鋼的60Rc。這要歸因于被噴涂小滴的快速淬火影響著顆料結構與強度。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行評估，也在測試Inconel，一種高溫型防腐蝕鎳/鉻/鐵合金。進一步的發(fā)展也將在噴涂過程時提供混合不同金屬的能力。
“選擇性激光燒結（SLS）”是由DTM公司于1996年商業(yè)性推出的模具工藝。DTM被三維系統(tǒng)公司所收購。為實現快速模具，該工藝首先用聚合物粘合劑做出了鋼粉材料的“綠色”部件。該部件是通過粉末的快速燒結以薄層狀建造起來的，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中，在這里粘合劑被燒掉。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與最終部件的退火。 這個工藝一般產生出含60%的鋼與40%的青銅的均一部件，硬度達39Rc。近網狀部件在脫粘步驟之后幾乎沒有經歷皺縮。這是一個完全致密的部件，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提供兩種不銹鋼粉末：420號不銹鋼Laserform ST-100，和不銹鋼成分不一樣的Laserform ST-200。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探尋新的滲透材料，包括鈹銅、鎳/硅/鉻/銅合金Ampco 940、碳化鎢與鋁、硅青銅，據稱能造出的模具比傳統(tǒng)模具的冷卻速度高出40%。 同時，三維金屬“印制”工藝利用了噴墨快速原型技術的變體，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械的Extrude Hone公司于2000年實現商業(yè)化的。 維印刷工藝把一層不銹鋼粉末在建模表面上展開，然后利用噴墨型打印機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。另一層粉末與粘合劑然后就在第一層上沉積，重復以上步驟。該部件被放置在燒結爐當中，粘合劑于其中被燒掉，金屬顆粒被熔合在一起。接著“綠色”被燒結部件被銅所滲透，實現完全的充分致密性。 結果就是近網狀的部件，一般是含60%的鋼與40%的青銅，強度、可壓縮性與硬度（約30Rc）都接近P20號鋼。最大尺寸是8”×8”×6”。模具的基本公差小至±0.005”，在部件整個長度上的變化率是0.002。該模具可以被切削、鉆孔、打磨、涂層或電鍍。 ExOne公司也選擇對材料進行燒結，實現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，但它降低了熱導性，引起15%的線性皺縮，而當部件被滲透時的皺縮率只有1%。在任何情況下，模具在大約幾天時間內就能被做出來。 ExOne正在對幾種新的制模材料進行評估，包括模具鋼、不同的不銹鋼/銅組合、含有改進硬化的添加劑的傳導性合金。對仿形冷卻的研發(fā)是一個重要焦點。ExOne公司用金屬印制工藝所產嵌件的近四分之三具有仿形冷卻。 快速模具為人們所熟悉 冷卻增強的模具比傳統(tǒng)模具的價格要高于10%-30%。但是，快速模具供應商稱成型業(yè)者將看到通過更快冷卻與更高生產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。RSP公司稱其工藝比加工模具更為便宜，所以出來的成本接近普通模具。 高導熱性快速模具的雙金屬結構產生了一些在粘合、熱應力、膨脹收縮系數、可能分層等方面的問題，它們有可能約束一些成型業(yè)者嘗試使用快速模具。但快速模具供應商們已經對如何與何處使用他們的技術表現出謹慎，他們稱不懈的研發(fā)努力的目標是要改進他們的技術。 “我們正在研究改進鋼與銅之間結合的方法，” RSP公司的Knirsch說，“我們有幾種模具將投入生產，它將是在頂部有H13號模具鋼的非合金銅。我們擁有的數據顯示冷卻將快出兩成到三成�！� POM開發(fā)出了專用的粘合層，來減少兩種金屬間的分層，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利用了相容性材料，以減少分層的機率。銅合金與不銹鋼相容，令銅滲入到不銹鋼的結構當中。 有些成型業(yè)者可能擔心復合金屬表面是否有足夠的硬度來應對苛刻的成型作業(yè)。一個佐證是由選擇性激光燒結法（SLS）生產出來的模具。許多快速模具用戶不對模具進行熱處理，而是對沒有問題的表面鍍鉻或鍍鎳。但是，電鍍增多了一個步驟，延長了模具交貨時間。 3D Systems公司相信即使未電鍍的SLS模具也將表現出良好的耐磨性能。滲透性銅具有一定的耐磨性，可用作潤滑劑。一些用戶用該公司的模具已經看到了比傳統(tǒng)材料更好的耐磨效果。 為使快速模具達致成功，成型業(yè)者需要學會如何正確使用它們。必須注意不要快速冷卻模具，否則可能不會獲得恰當的填充。利用冷卻增強型方法的成型業(yè)者可能必須提高注射壓力和速度，來調節(jié)成型工藝，從而確保材料在模具內到達填充的盡端。他們可能還必須提高樹脂的溫度。幾家供應商正在研究計算機模擬技術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。 優(yōu)化熱導性模具的成型過程可能需要改變螺桿速度、模具頂出速度、模具開合速度、熱嘴溫度、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部件。隨著更多的模具表面接近冷卻流道，較薄部位可能太迅速地冷卻，然后就翹曲。較好的方法是把冷卻流道移至靠近有熱點的模腔，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用模具鋼與熱導性金屬的什么有關性能。如果是對玻璃填充尼龍這樣的結實材料進行成型，就需要有足夠的模具鋼來應付磨損。但加的模具鋼越多，傳熱系數就越小。POM公司稱他們一般在導熱性材料頂部應用0.06”-0.1”的模具鋼。其它供應商稱這要根據產品、冷卻程度或顧客所需耐磨性而變化 |
