《快速模具制造》PPT课件.ppt

前段内容复习,一.快速成型技术的原理二.快速成型技术建立理论基础三.四大快速成型工艺1.光固化成型法:原理,装置组成及各装置作用,影响质量因素,特点.2.叠层实体制造工艺:原理,装置组成及各装置作用,影响质量因素,特点.3.丝材选择性烧结:原理,装置组成及各装置作用,影响质量因素,特点.4.粉末材料激光烧结:原理,装置组成及各装置作用,影响质量因素,特点.四.快速成型前处理过程五.快速成型工艺工件质量的控制.,第五章,快速模具制造,一.概述,随着社会的进步与经济的发展，市场竞争愈来愈剧烈，迫使制造业在不断改善产品的性能与品质的前提下，最大限度地缩短新产品的开发周期、降低成本，以便快速响应用户最新的需求。这种趋势在汽车、摩托车、电子产品、家电产品、玩具等制造业显得尤其突出。,实现新产品的快速、高效开发涉及多种领域的先进技术，例如，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助制造(CAM)、新材料，以及产品与相应工艺装备的快速成形、制造等，其中特别是有关模具的设计与制作技术。,快速成型技术由于受到使用材料的限制，不能作为参与实际工作的零件，仅能用作新产品功能检验、投放市场试运行等方面。因此，便产生了基于快速原型的快速模具制造技术（RT）。RT技术的特点：效率高、费用低（与传统的数控加工模具相比，开发周期和费用都降低了1/101/3）,5.1 快速模具的分类及基本工艺流程,直接法：直接采用RP技术制作模具（SLS：钢铜合金注塑模，15万件寿命，但材料在烧结过程中收缩变形较大，且不易控制，难以获得精度高的模具）间接法：利用RP原型间接地翻制模具。,5.2 硅橡胶模具快速制造技术,特点：1、良好的韧性和弹性，易于制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度甚至有倒拔模，以及深凹槽的零件2、制作周期短、制件质量高分类：制模用的硅橡胶为双组分液体硅橡胶，分为缩合型和加成型。,软质模具的特点：成本低、周期短适合于批量小、品种多、改型快的现代制作模式制品数量一般为505000件,缩合型模具硅橡胶的抗剪切强度较低，在模具制造过程中易撕裂，难于成型花纹深、形状复杂的模具；成型过程中由于缩合交联反应产生乙醇物质难以完全排出，使模具在受热时硅橡胶降解老化，同时由于乙醇的排出也使得硫化胶的体积收缩，影响模具的尺寸缩小。因此，常用在塑料或人造革生产中的高频压花模具，或尺寸要求不高的工艺品制造。,加成型模具的硅橡胶由于采用加成硫化体系，在成型过程中不产生低分子化合物，因而具有低得线性收缩率，胶料可以深部固化，且物理、力学性能和耐热老化性能优异，适用于制造精密模具和铸造模具，且模具制造工艺简单，不损伤原型、仿真性好。,5.2 硅橡胶模具快速制造技术,5.2.1 硅橡胶模具的特点 1）硅橡胶具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率 2）该材料制造弹性模具简单易行，无需特殊的技术及设备 3）模具能经受重复使用和粗劣的操作，能保持制件原型和批量生产产品的精密公差 4）能直接加工出形状复杂的零件，免去铣削和打磨加工等工序，而且脱模容易，制造周期短，修模方便 5）硅橡胶模具具有很好的弹性，对凸凹部分浇注成型后也可直接取出,二.传统的制模方法,传统的制模技术大都是依据样模(母模)，采用拷贝方式(如铸造、喷涂、电铸、复合材料浇注等)来制造模具主要工作零件(凸、凹模或模腔、模芯)的。,1.传统制造模具的具体方法,(1)机械加工方法:传统的切削法,(2)仿形加工法(3)特种加工法:电火花成型加工法;电火花线切割加工法,电化学加工法等,电火花加工工件,传统的制模方法缺陷,精度低。制作周期长，如快速切削铝模需要24周时间。柔性差：元件有所改变时，模具很难修改，不得不重做。,传统的制模方法及其缺陷,上述三种缺陷中精度和周期是重要的问题，只要解决了样模精度，模具精度自然就迎刃面解了，因此如何提高样模精度已成为快速制模技术继续深入发展的关键，也是我们要加以解决的重要课题。,快速成型技术的应用,快速模具制造,快速模具制造（Rapid Tooling，简称RT），是以RP为技术支撑而发展起来的新型制造技术.它的特点是：1.制模周期短，一般为传统模具制造的1/31/10；2.工艺简单，易于推广；3.制模成本低（仅为传统制模的1/31/5）4.精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好。,快速制模技术分类主要有两大研究方向:1.直接快速制模技术,即用粉末烧结法,丝状材料融覆法,叠蹭实体制造工艺法等制备陶瓷,金属模.2.间接快速制模技术.通过快速成型技术制备母模具,软模具等,再通过传统的机械加工法来生产模具的方法.,快速制模技术分类,快速制模方法,间接法是先制作一个母模，一般由快速成形系统建立，再由这样的母模制作模具，主要有：（1）用快速成形件作母模，与传统工艺结合制造模具 在快速成形的母模上，浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，从而得到软模具；在快速成形的母模上，电镀、喷涂、烧结金属或者陶瓷，从而得到硬模具。（2）与精密铸造结合，生产出金属件，再制造模具(3)用快速原形件制作电加工的电极,快速直接制模,直接制模是用SLA、SLS、FDM、LOM等快速成型工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模等模具，其优点是制模工艺简单、精度较高、工期短，缺点是单件模具成本较高，适用于样机、样件试制。,快速直接制模,1.通过SLA 或SLS 法，直接用树脂、粉末塑料（如ABS）等制成凸、凹模，可以作成薄板的简易冲模，汽车覆盖件成形模等。这些简易模具的寿命是501000 件，适用于产品试制阶段。,快速直接制模,2.采用特殊的纸质利用 LOM 工艺方法可直接制造出纸质模具，坚如硬木，可耐200高温，可用作低熔点合金的模具或试制用注塑模以及精密铸造用的蜡模成形模，还可以代替砂型铸造用的木模。,快速直接制模,用FDM 法直接制成金属模。将不锈钢粉末用FDM 法制成金属型后，经过烧结、渗铜等工艺渗铜等工艺制成了具有复杂冷却液道的注塑模。,快速软模（Soft Tooling）制造,所谓软模具，是指用硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等材料制作的模具。用快速成形件作母模（凹模），浇注上述材料可形成软型腔，形成软模具，这种软模具可用小批量生产，例如：注塑件、低熔点合金离心铸造件等。,硅橡胶模具制造,硅橡胶模的优点,1.制作周期短 通常，根据工件的CAD 文件，能在几天内提供硅橡胶软模，以及用软模成形的聚氨酯塑料件。与传统金属模注塑原型工件相比，用硅橡胶模真空浇注聚氨酯原型，能缩短开发周期高达90%。2.成本低 与CNC 机加工的金属模相比，软模的制作费用低得多，一般只有金属模的几分之一。,硅橡胶模的优点,3.弹性好，工件易于脱模 在传统的金属模中，通常需要设置脱模斜度，以便使工件成形后顺利脱模。用硅橡胶模成形工件时，由于模具有足够的弹性，使得往往不必添加脱模斜度，工件就能脱模，从而可大大简化模具的设计。4.复印性能好 硅橡胶有优良的复印性能，可良好地再现母模上的细小特征，基本不会损失尺寸精度。,硅橡胶模的缺点,1.导热性能差2.寿命短3.不能成形真实的零件4.不能采用热注射工艺成形工件,快速软模制作用材料,快速软模制作主要用材料为硅橡胶。硅橡胶（Silicone Rubber）是一种分子键兼具无机和有机性质的高分子弹性材料，它的分子主键由硅原子和氧原子交替组成，其分子式为：,硅橡胶的分类,快速模具用的硅橡胶主要有：1.室温硫化硅橡胶（Room Temperature Vulcanized rubber），可以承受316的高温。2.热硫化硅橡胶（Heatcured Vulcanized rubber），可以承受538的高温。,快速软模材料及特点,（1）TE-1089硅橡胶，属于双组分室温硫化硅橡胶，具有优异的柔韧性，极强的抗撕强度，及耐高温、耐化学腐蚀性。（2）甲基乙烯基硅橡胶，耐高温性，低温弹性，耐气候性，具有卓越的电性能，优良的物理机械性能，耐化学物质性能，透气性，生理惰性。（3）RTV358，是一种室温硫化非透明硅橡胶，它在25度加入固化剂，经24小时后初步固化成弹性体。,快速软模材料及特点,（4）RTV141，是一种室温硫化透明硅橡胶，它在25度加入固化剂，经2448小时后初步固化成弹性体。（5）TEKSIL高温硫化硅橡胶，它比室温硫化硅橡胶有更好的性能，硬度HSA5575，抗拉强度12.462.1MPA，工作温度可以达到150500度。（6）聚氨酯树脂与工程塑料，是三种聚氨酯树脂SG95、SG200、2170与三种工程塑料ABS、Nylon6、聚丙烯PP的性能。,快速软模材料及特点,用于快速软模的硅橡胶要具有一下特征：1 伸长率和抗撕强度特别高。2 对原模具有优异的兼容性。3 对于大多数化学物品有极好耐受能力。,硅橡胶模具制造过程,硅橡胶模具制造过程1.原形制备过程:主要采用快速成型技术.原形制造是硅橡胶模具制造的关键,它的形状,尺寸和表面粗糙度都会影响模具的外形.首先使用三维软件进行三维实体造型，以STL文件格式保存，将文件输入快速成形机利用不同的快速成型工艺作出制件原型，经过后处理作为硅橡胶母模。,硅橡胶模具制造过程,硅橡胶模具制造过程,2.制作型框和固定原形 首先要分析原型，选择分型面和浇口位置，选择不同分型面的目的就是要使得脱模较为方便，不损伤模具，避免模具变形或者影响模具应有寿命，然后在分型线处贴上薄的透明胶带。型框的尺寸影响硅橡胶的用量,所以必须要计算好合适的尺寸.,硅橡胶模具制造过程,3.原形件的固定:利用清洁胶带纸将定型样件型框边缘围上，要求固定牢固。同时要注意增加一些排气空.,硅橡胶模具制造过程,4.计算所须硅橡胶的用量,混合并真空脱泡:硅橡胶的用量必须根据所造制件的尺寸和型框尺寸以及硅橡胶的比重准确计算.同时要加入适当的硬化剂,搅拌均匀后真空脱炮,脱炮的时间根据达到的真空度来确定.,硅橡胶模具制造过程,5.将抽真空后的硅胶倒入构建的围框内，之后，将其放入压力罐内，在0.40.6MPa压力下，保持1530 分钟以排除混入其中的空气。,硅橡胶模具制造过程,6.硅橡胶固化 浇注好的硅橡胶，要在室温25摄氏度左右放置48小时，待硅橡胶不粘手后，再放入烘箱内100摄氏度下保持8小时左右，这样即可使硅橡胶充分固化。,硅橡胶模具制造过程,7.待完全固化后，拆除围框，随分模边界用手术刀片沿着定位线对硅胶模分型。,硅橡胶模具制造过程,8.把定型样件完全外露，并取走，得到硅胶模。如果发现模具有少量缺陷，可以用新配的硅橡胶修补，并经同样固化处理即可。,快速软模实例,硅橡胶制造模具注意问题,1.型框尺寸的大小:过大会浪费硅橡胶的用量,同时导致取模的难度.过小不利于浇注.2.选择合适的分型面:原则是选择投影面积大的面作为分型面.3.对于较高的薄壁件,选择分型面时要将薄壁放在同一半模中,以防捆绑时薄壁的变形,影响尺寸误差.,4.对于存在大面积平面形状的原型,应选择合适的浇注位置和方向.浇注位置应选在重心附近.浇注的方向应避免大面积平面形状位于最上面,导致气体无法排除.5.在开模的时候,刀的头部是走直线,到尾走曲线,使硅胶模的分模面形状不规则.这样可以合模时准确定位.,经济型硅橡胶模制造的一种工艺方法,由于硅橡胶材料很贵,尤其是生产大型的单件制品.为此,出现了通过与石膏混合制作硅橡胶模具的工艺方法.工艺过程如下:,1.原型的制作:采用快速成型工艺制作以及后处理工艺2.安放原型:将原型固定在平板上,制作模框.3.在原型表面贴粘土和石膏背衬4.硅橡胶的浇注5.固化6.修理,硅橡胶模具的应用,主要生产一些浇注产品,能够缩短产品的制造时间,降低成本,提高效率.生产工艺过程:清洗模具喷离合剂组合模具树脂计算脱泡混合真空浇注硬化取出,内容总结,1.硅橡胶模具优缺点2.工艺过程3.注意事项4.经济型硅橡胶模具生产5应用,铝填充环氧树脂（CAFE）模,铝填充环氧树脂（Composite Aluminum-Filled Epoxy）模，是利用快速成形的母模，在室温下浇铸铝基复合材料，即铝填充的环氧树脂而形成的模具。这种制模方法快速、经济，适用于多种树脂，可用于注塑20500件工程热塑料工件。,CAFE模的制作过程,1.制作母模与分型板，母模可以用RP或CNC制作。2.在母模表面涂覆一层薄层脱模剂。,CAFE模的制作过程,3.将母模表面与分型板放置在型框中。4.在型框中靠近母模处设置冷却管。,CAFE模的制作过程,5.预混精细研磨铝粉，双组分热固性环氧树脂，并在真空中排气，去除气泡。6.在真空状态下，将CAFE模用材料浇于母模的外面，并使其固化。,CAFE模的制作过程,7.将母模于完全固化的CAFE模倒置，拆除分型板，在母模反面于先前固化的CAFE模上涂脱模剂，重复上述过程；,CAFE模的制作过程,8.12小时后，第二部分CAFE模已经完全固化，即型芯和型腔分成彼此分离的两部分，此时移去母模；,CAFE模的制作过程,9.用定位销使型芯与型腔对准，在要求位置钻推料孔，安装推料板于推料杆，连接冷却管，最后整个装配件置于标准模架中。,烧结工具钢/碳化钨渗铜（3D keltool）模,烧结工具钢/碳化钨渗铜（3D keltool）模3D Systems公司的“Keltool”工艺是粉末烧结法的代表。该方法是通过母模复制的硅橡胶，浇铸工具钢粉粒、碳化钨粉粒和黏结的混合物，再进行烧结、渗铜而形成的模具。模具的寿命取决于烧结的材料，一般都在1万件以上。这种模具与钢模、铝模有相似的特性，有很好的特征和表面粗糙度，适合几乎所有的树脂。若需要提高模具的精度，可采取添加微细球状粉末等措施。,3D keltool模的制作过程,1.由SLA快速成形系统方法生成快速原型，如图a。,3D keltool模的制作过程,2.将模芯原型放入制模箱中，制模箱中浇入RTV硅胶，固化后取出原型，制成RTV硅橡胶模，如图b。,3D keltool模的制作过程,3.将硅橡胶放入制模箱中，浇入A6钢粉、碳化钨以及环氧树脂黏结剂组成的浆液，如图c。,3D keltool模的制作过程,4.待浆液固化后，取出模芯初型，放入炉中烧结。在高温下，烧去黏结剂，形成质地疏松的A6钢碳化钨模芯。然后对模芯进行渗铜处理，制成全密度的A6钢碳化钨铜金属模芯，如图d。,3D keltool模的制作过程,3D Keltool模的主要优点,1.Keltool模芯材料通常含有70A6钢碳化钨，因WC硬度高，模具硬度热处理后可达4044HRC，所以耐磨，变形小。2.模具表面质量好，抛光后其表面粗糙度可达2025m。3.具有较好的机械加工性能，可如同传统模具一样进行后处理，如抛光、磨削、焊接等。4.模具寿命长，如：对于填充的热塑性塑料（如聚丙烯，ABS，尼龙等），有的Keltool镶块的寿命高于300万次。,3D Keltool模的主要优点,5.keltool因为含有铜，因此具有良好的导热性，可以缩短制件时间，一副模具约需8天，而用传统方法需要48周。6.该功率制模的收缩率为0.6，且收缩线性、同向，因此可在形成STL格式文件时作为变量输入。7.目前，Keltool工艺制作模芯的最大尺寸为150mm215mm145mm，最大体积为2.3L，对于较大尺寸的模芯，可以分割制作后进行组合。8.可制作形状复杂，具有细微特征的模具，相对成本低。,3D Keltool模的主要局限,1.Keltool模的技术新，应用时间短，工艺不稳定。2.母模必须要精确、稳定，因此，对于尺寸大于125mm以上的模具，快速成形系统不能保证母模的精度在0.05mm以内。,3D Keltool模的主要局限,3.对于不同的型芯和型腔，甚至对于同一型芯或者型腔的不同部位，3D Keltool模的精度也会因收缩率的变化而造成不一致。4.由于精度和一致性的问题，有的3D Keltool镶块可能需要后续机械加工，增加模具制作费用和时间。,SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬（Direct AIM）模,SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬模（Direct ACES Injection Modeling，简称AIM）是指用SLA的ACES工艺固化的树脂壳，并用铝填充环氧树脂作背衬而构成的模具，其中ACES是Accurate Clear Exopy Solid的缩写，它是由SYSTEMS公司开发的一种SLA快速成型工艺。这种模具的寿命一般只有1050件，因此寿命短，而且模具制造失败的风险高，只适合特定的一些树脂。,SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬（Direct AIM）模,采用AIM工艺可以直接得到注塑模具，它可以在SLA系统上直接成形型芯和型腔的镶块，不必进行二次处理。但是AIM工艺直接得到的注塑模具缺点也很多：1.固化SLA树脂的热导率只有传统模具钢的1/300，所以直接AIM工艺制作的镶块散热慢，用来注射塑料样品时周期很长；2.用直接AIM工艺制作镶块，需要3040h，费用很高；3.直接AIM工艺制作的镶块物理性能差4.直接AIM工艺制作的镶块工作表面容易因磨损而失效，从而降低AIM模的寿命,SLA成形的树脂壳铝填充环氧树脂背衬（Direct AIM）模,因此，常采用的工艺是：在SLA系统上利用制作两个ACES薄壳，再用铝填充环氧树脂作其背衬，优点在于：1.可以节省成形时间；2.降低成本，铝填充的环氧树脂要比SLA树脂便宜的多；3.提高热导率，从而将注塑循环时间缩短2min。由此看来，AIM的制作过程和CAF模是类似的，只是快速成形的原型件为两个薄壳。,SLS直接烧结低碳钢渗铜模,SLS直接烧结低碳钢渗铜膜的工艺是DTM公司采用专利的SLS过程开发的，称作Rapid-ToolTM。使用的材料有PVC、PC、聚合黏结剂包裹的低碳钢粉末，聚合黏结剂包裹的420不锈钢粉末等等。,Rapid-ToolTM模建立过程,1.使用Rapid-ToolTM工艺，激光束烧结低碳钢和黏结剂粉粒，使它们融合在一起，并一层一层的建立工件，得到半成品件。2.半成品的强度很低，只有3MPa，因此，为提高强度，将半成品放入含有25H2和75N2的电炉中，当炉温升到700时，几乎全部的黏结剂去除，从而形成多孔的零件。,Rapid-ToolTM模建立过程,3.将半成品件放入一个炉中，进行二次处理，加热去除黏结剂，使金属粉末融合，并在1083摄氏度以上渗入铜，最终获得全密度的模具。最终的模具为64体积的金属和36体积的铜构成。渗铜的目的是改善热导率。,低熔点金属模,低熔点合金模是采用熔点较低的有色金属合金作为铸模材料，以RP 系统或CNC 加工的样件为基础，在熔箱内铸模成形的一种冲压模具。常用的低熔点金属是SnBi合金或者Zn合金。,低熔点金属模,低熔点材料是一种非常好的快速模具材料，它具有：1.熔点低，熔化速度快，有利于提高制模效率；2.在熔化状态下流动性好，成模清晰；3.具有一定的冷胀性，便于固定模具镶块及其它部件等特点。4.可以多次重熔，重复利用。但是由于低熔点合金材料强度低（抗拉强度只有60MPa左右），所以对于板厚超过1.5mm的板材就不十分合适了。,低熔点金属模成形过程,1利用快速成形技术制造冲压件原型；2 将冲压件原型置于形框中，浇注低熔点合金，得到凹模；3 将凹模取出，再次浇注低熔点合金，得到凸模和压边圈。4 将凸模，凹模，压边圈装配即可得到冲压模。,三维打印渗铜（Prometal）模,三维打印渗铜模（又称Moldfusion）的工艺是由ExtrucleHone公司与MIT合作开发的，因其工艺过程类似于喷墨打印机喷墨的过程，所以称为三维打印。,三维打印渗铜（Prometal）模建立过程,1.铺粉装置将一层金属粉末（不锈钢粉末）铺在成形台板或前一层粉末上面。2.然后，在三维CAD模型的二维切片数据驱动下，通过喷头在不锈钢粉末上喷射一层液态聚合物（光固化树脂黏结剂），灯光迅速固化不锈钢粉上的黏结剂。,三维打印渗铜（Prometal）模建立过程,3.工作台下降，涂覆另一层不锈钢粉末，重复（1）、（2）步骤，直至完成层层堆积得到半成品；4.把半成品放入加热炉内，烧去黏结剂，然后进行二次烧结与渗铜，最终形成60%钢和40%铜的金属模具。,三维打印渗铜（Prometal）模,结果就是近网状的部件，强度、可压缩性与硬度（约30Rc）都接近P20号钢。最大尺寸是800mm800mm600mm。模具的基本公差小至0.005，在部件整个长度上的变化率是0.002。该模具可以被切削、钻孔、打磨、涂层或电镀。这个过程也可以使用共形冷却管，冷却时间减少2530。,纤维增强聚合物压制（SwifTool）模,纤维增强聚合物压制（SwifTool）模是指用SWIFT TECHNCLOGIES Ltd公司开发的SwifTOOlTM技术制作模具。这种技术采用纤维增强的热固性混合物作为制模材料，有很好的强度，不宜断裂。,纤维增强聚合物压制（Swift Tool）模建立过程,1.制作母模,可以采RP或CNC技术制作母模；2.压制SPC模镶块：将母模嵌入塑泥状SPC的型框中，确定分型面，在母模与SPC材料的上表面喷射脱模剂，再用SPC材料完全覆盖母模，接着将其放到压力机上，分别对上半模和下半模加压固化1h，移去母模，得到SPC模镶块，主要指凸模和凹模；3.模具装配：制作推料杆和其它附件，将它们与SPC镶块固定在标准模架中，构成完整模具。,纤维增强聚合物压制（Swift Tool）模,Swift Tool模具的周期只有传统模的1/10，制作成本只有传统模的3070，这种模具类似于CAFE模，但硬度更高，可用于注塑PP、PE、ABS、POM和PA66等塑料。,快速生产用模具,快速生产用模具应该具有精确的几何形状、硬度高、良好的表面粗糙度、寿命长，而且有较高的生产节拍和生产率，模具不受工件几何形状的限制，也无尺寸的限制，模具的制造周期要比传统加工模具的制造周期少一半以上。,快速生产用模具分类,1.直接金属激光烧结模 2.烧结工具钢/碳化钨渗铜（3D keltool）模 3.直接金属沉积（DMD）模 4.金属喷射沉积模 5.镍壳电铸模,直接金属激光烧结模,德国EOS公司开发直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，简称DMLS）系统。工作原理：激光束按照计算机提供的二维切片模型，一层一层烧结金属粉末来得到模具，建立层厚度为0.020.1mm。,直接金属激光烧结模,模具尺寸可达250mm250mm185mm，机器建立速度为6.554cm3/h，使用于没有细微特征的模具生产，也适用于细微特征明显的和重型的注塑模具。,DMLS系统建立模具的优点,1.建立模具所用材料为金属粉末，包括铜镍基混合粉、铜青铜镍基混合粉等，所以不需要烧结黏结剂的步骤，节省时间，交货时间为12周。2.能够建立复杂几何形状的模具，也可以在模具里设置共形冷却道。,直接金属沉积（DMD）模,直接金属沉积（Direct Metal Deposition，DMD）模，也称直接金属喷镀模，是根据laser Enginerred Net Shaping（激光近形制造，简称LENS）技术制作的模具。,直接金属沉积（DMD）模原理,1.由供粉管向基底上喷射金属粉末。2.大功率的CO2或Nd：YAG激光束聚焦后，选择性的使（1）步喷射的金属粉末熔化，形成不断扩大的小熔池，然后迅速冷却而构成工件的截面轮廓。建立模具时，采用的层厚为0.25mm。建立速度为：1648cm3/h。,直接金属沉积（DMD）模原理,在激光熔化金属粉末的过程中，需要通入氩气，以遮蔽熔池，避免金属粉末熔化时发生氧化，并使粉末表面有更好的湿润性，以便层与层之间能更牢固地相互黏结。,直接金属沉积（DMD）模用材料,可用于建立的材料包括D-2，F-7，420和316不锈钢，H-13，H-19，H-21和P-20等。高碳高铬型冷作工具钢D碳钨工具钢F中碳高铬型热作模具钢H1钨系热作模具钢H2低碳型工具钢P,直接金属沉积（DMD）模特点,1.模具的零件尺寸不受粉箱大小的限制；2.可用于现有模具的改制和修理；3.可用于模具的表面硬化处理；4.可制造复合材料的梯度模具，提高模具的机械性能和热性能。,金属喷射沉积模,金属喷射沉积模是根据Idaho National Engineering and Environmental Lab的快速凝固工艺（RSP，Papid Solidification Process）来得到模具的一种方法。其特点是工艺简单，周期短，型腔及表面精细花纹一次同时形成，省去了传统模具加工中的制图、数控加工和热处理等昂贵、费时的步骤，不需机加工，模具尺寸精度高，成本低。,金属喷射沉积模成形原理,熔融的工具钢或其他合金被压入喷嘴，与高速流动的惰性气体相遇后形成雾状熔滴，它喷向并沉积到喷射在通过SLA、SLS或LOM方法制造石蜡、塑料或陶瓷原型上，复制出母样的表面结构形状,再借助脱模剂使沉积形成的钢制模具与母样分离,即可制出所需 模具。,金属喷射沉积模特点,母样使用的材料取决于喷涂其上的合金材料。对于喷涂工具钢来说,可选用陶瓷材料,类似材料还有铝氧粉可供选择。此法可制作注塑模具和冲压模具，但是为了提高制件的表面质量和机械性能需要进行时效处理，增加了制模时间。,镍壳电铸模,镍壳电铸模是一种正式生产用模具，它采用电铸原理在母模表面形成镍壳，在电镀一层铜或者用化学黏结陶瓷作背衬而形成模具。电铸过程并不快，但是由于它具有更高的热导率，从而使成形时间减少1530。镍壳电铸模分为电铸镍铜壳背衬模和电铸镍陶瓷背衬模。,电铸镍铜壳背衬模,电铸镍铜壳背衬模可以在其内部设置共形冷却道，这种工艺称作Express-ToolTM。,电铸镍铜壳背衬模制作过程,1.用RP系统或者CNC加工制模过程使用的原模。采用机加工时，原模的材料可选用石墨，因为，它比铝更易于加工，更适于电铸工艺。2.在原模上涂覆一薄层导电性能良好的银，因为既然是电镀，所以被镀物体必须导电，所以需要涂一层银。,电铸镍铜壳背衬模制作过程,3.将涂银的原模作阴极，镍作阳极，在银表面上电镀一层24mm厚的镍壳，取出原模和其上的镍壳，在清水中清洗、凉干。,电铸镍铜壳背衬模制作过程,4.在镍壳背后放置共形冷却道，并固定。,电铸镍铜壳背衬模制作过程,5.将镀镍的原模放入铜电解槽，在镍壳表面电镀约20mm厚的铜，并使铜完全包裹共形冷却道；,电铸镍铜壳背衬模制作过程,6.对原模镍壳冷却道铜壳构成的组合件放入模架中，填加背衬，背衬材料可用铝填充的环氧树脂；,电铸镍铜壳背衬模制作过程,7.取出原模，将制成的型腔固接于模架中，穿过背衬层/铜层/镍壳，钻推料孔。,电铸镍铜壳背衬模制作过程,8.再用同样的方法制作型芯，得到整个注塑模。,电铸镍铜壳背衬模制作过程,注塑模中通常须设置冷却道，传统冷却道为钻削式DCC(drilled cooling channel)，即用钻头加工成的一系列互连、直线排列的圆截面通道,这种冷却道虽然简单，但有如下缺点：a.由于受到注塑件形状、模具强度与模具结构(如推料杆)等的限制，DCC 式冷却道难于与注塑件的主轮廓形状共形,使注塑过程中塑料的各部分冷却、固化不同步,导致工件翘曲变形大。b.冷却效率低。,电铸镍铜壳背衬模制作过程,共形冷却道CCC（conformal cooling channel）的布置与注塑件的主轮廓形状近似，其截面形状可为椭圆形。,电铸镍铜壳背衬模制作过程,这种冷却道不仅能提高冷却效率,缩短注塑循环周期（一般为3050%），而且可显着缩小模面上的温差，减小工件中的内应力与翘曲变形，提高工件的品质。,Express Tool模的优点,1.热导率很高：Express Tool模热导率是P20或H13工具钢的510倍，模温分布均匀，冷却快。2.模具寿命长：模具寿命可达30万次。3.生产率高：模具能够承受约140Mpa注射压力，427的熔化温度，177的模具温度，生产率与钢模相比提高了50以上。,Express Tool模的优点,4.精度高：Express Tool模可以复制0.1m一下的原模特征，可以达到EDM（电火花）生产的模具精度。5.良好的耐腐蚀和耐磨性能：模具表面电铸的镍，与传统钢模相比，能更好的抗化学腐蚀，镍表面硬度达到2040HRC。6.注塑件精度高且表面质量好，几乎无需抛光。,Express Tool模的缺点,1.与其它RT技术相比，制模周期长，费用高。2.模具抗弯强度低。3.注塑温度限于300一下，不能注塑带有狭长槽和狭长孔的注塑件，因为塑料的冷速慢，造成局部的温度过高而损坏模具。,电铸镍陶瓷背衬（NCC）模,电铸镍陶瓷背衬（Nickel-Ceramic Composite，简称NCC）模，是由CEMCOM公司发明的，和ExpressTool相比，背衬材料选用化学黏结陶瓷COMTEK66，而且没有电镀铜的过程，因陶瓷和镍有相近的热膨胀系数，在室温下能够固化成形，收缩率只有0.022%。这一方法具有与SLA工艺同等的精度，可用于注塑模制造，但要解决电镀工序时间长和需处理废液污染等问题。,电铸镍陶瓷背衬（NCC）模制作过程,1.制作原模：利用SLA方法生成快速原型。2.电铸镍壳：在原型的正反面上电铸镍壳，注意在电镀之前要涂上一层银，厚约15mm。3.浇注CBC陶瓷背衬：在真空条件下，混合CBC（化学反应凝固陶瓷材料CBC，Chermically Bonded Ceramic)材料，在室温下将CBC材料浇注于镍壳的正面，然后，置镍壳于模架之中，1824h后，CBC呈胶状，翻转模架，把CBC浇注到镍壳反面。,电铸镍陶瓷背衬（NCC）模制作过程,4.固化CBC陶瓷背衬：等浇注的CBC陶瓷背衬基本固化后（约72h），分离上下模，取出原模，将镍壳陶瓷背衬构成的型芯与型腔置于烘箱中加热固化。5.装配：对镍壳陶瓷背衬模进行抛光，钻推料孔，加工注射浇道，并装配在模架上。,快速熔模铸造（Quickcast）金属模,快速熔模铸造（Quickcast）金属模属于精密铸造的一种，它把RP技术和熔模技术结合在一起，可以迅速制造出各种复杂的模具和零件。,熔模技术,1.首先是制作蜡模：蜡模制作的方法一是将熔化的蜡灌注到以金属或者硅胶制成的模具内来得到，一个是用机械加工的方法制造出来。2.随后在其上涂覆上石膏或者陶瓷。3.然后加热，此时蜡将熔化而沿着预先设置的空洞流出，得到石膏壳或者陶瓷壳，称为铸模。,熔模技术,4.然后以高温加热铸模，以烧除少量残余的蜡质并提高其强度。5.接着向铸模中浇注金属液，最后剥离石膏壳或者蜡壳即可得到金属件。,Quick-cast模具,熔模技术的长处是能利用模型制造复杂的零件，但是制造蜡模的过程既费时又费钱。RP技术的最大优势在于它能迅速产生复杂的原模。Quick-Cast技术结合RP技术和熔模铸造的优势，其定义为：用SLA成型的树脂件代替失蜡铸造的石油基蜡模，再根据此树脂件制造陶瓷壳体，然后进行传统的失蜡铸造，得到金属模型。,Quick-cast模具制作工艺,1.利用SLA系统上得到原型件。2.在模型上涂上一层陶瓷浆。3.在2步基础上，在模型上涂上细的、难熔的颗粒。2、3步的作用是得到熔模铸造用的壳体,Quick-cast模具制作工艺,4.烧去SLA模型，在SLA得到的模型上都预留有孔洞，所以将3步得到的包裹有SLA树脂件的陶瓷壳放入炉中焙烧时，其中的树脂将熔化进而从预留的孔洞中流出，从而得到陶瓷壳体；5.此时得到的陶瓷壳体强度很低，所以要将其转移到另一炉中烧制，得到有一定强度的陶瓷壳；6.浇注金属液到壳体；7.去除陶瓷壳，分离出金属件。,Quick-Cast技术需要注意的问题,1.如果使用SLA制造的树脂模型作为熔模的话，会带来一个问题，因为SLA树脂的热膨胀系数要大于陶瓷壳，所以如果在上述第4步烧去陶瓷壳时，会将陶瓷壳涨碎。所以我们使用的SLA熔模大都设计成80以上中空的蜂窝状，熔模的厚度为1mm，这样当内部膨胀时，熔模就会碎裂而不会挤破陶瓷壳。,Quick-Cast技术需要注意的问题,2.为保证熔模有一定的强度和尺寸稳定性，在成形时内部要放有筋条，在烧结熔模时，内部的支撑结构也被烧掉。,Quick-Cast技术需要注意的问题,3.在SLA系统上熔模成形后，经后固化处理，要使熔模内无液态的树脂，然后填充排料孔，以防止在涂覆陶瓷时，陶瓷泥浆浸入。填充的方法是：用熔模铸造蜡或者用浓度像胶体的光敏树脂填充。然后，在0.03MPa的正压力下，用轻度真空（约0.07MPa）抽吸，测试熔模，确保无孔洞存在。,Quick-Cast技术需要注意的问题,4.在第4步时，熔模必须被烧出壳体，这取决于两个因素：整个熔模材料的多少和炉子里的环境条件。炉子的环境条件比较简单，只要炉子的温度大于树脂的燃烧温度，并且有足够的氧气助燃就可以。Quick-Cast的熔模为蜂窝状，所以其材料的多少就取决于材料空隙率。,Quick-Cast技术需要注意的问题,材料的空隙率是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比例。空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。显然，空隙率越大，材料就越少，也就越容易烧尽。,硅砂直接激光烧结模,硅砂直接激光烧结模是利用RP技术直接烧结硅砂，从而得到铸造用的模具。,硅砂直接激光烧结模,1.由CAD软件设计三维模型，并将其转化成STL格式文件，然后将三维模型切片，得到二维截面轮廓，并将其输入到高温激光制造（HTLM）系统中；2.将硅砂和硅酸盐溶液组成的混合物铺在低碳钢上，使用激光对其烧结，作为基底；,硅砂直接激光烧结模,3.在这个基底上铺上砂粉，设置适当的烧结参数，按照二维截面轮廓。激光束选择性地烧结砂粉，这样一层一层建立模具；4.将模具渗透硅酸盐溶液，在200温度下，加热2h，以改善模具的强度、表面粗糙度和密度。为了得到有较好的表面粗糙度的模具，必须选用较细的砂粒和较薄的烧结层厚度。,快速制作电极模具,1.制作RP 原型2.利用RP原型翻制石墨电极研具,快速成型制作的电极母模,电极研具,快速制作电极模具,3利用研具，制造石墨电极；4.然后用电火花加工金属模具。,研磨的石墨电极,电火花加工后的连杆钢模,快速模具发展趋势,探索RP技术与化学镀、电铸、电弧喷涂、等离子喷涂、等离子熔射成型、浇注、精密铸造、成型电极加工等特种加工方法进行有效组合的工艺技术，充分发挥快速成型技术与特种加工技术各自的优势，在精度和效率方面互相取长补短，为金属模具的快速制造提供崭新的技术手段。,