快速造模技术的发展动态和技术瓶颈(中)

HEATS

　　POM集团的业务经理Jerry Janson称：“仿形冷却对于我们所有顾客来说并不是万能药，所以我们与许多大客户一起合作来达到成功。我们已经对仿形冷却展开了研究工作，所缩短周期时间的幅度由8%上升到40%。”很多工作因为与顾客的不公开协议而被保密，但Janson引用了具有仿形冷却的模具在汽车中的应用这样一个例子，它将塑件周期时间由54秒缩短至36秒，降幅达三分之一。

　　不只是用于原型

0 ]- P8 r. d7 N+ ~. f$ Y2 \4 e5 L1 A 9 l) C, h. `9 P

　　快速模具技术正在规模生产中证明自己。POM集团建造了直接金属沉积模具，已经生产出50万-100万只塑件。它的模具已被用于PC、TPO和PP纳米复合物的成型。

% n+ \6 W {/ k |

　　E OS公司称其“直接金属激光烧结(dmls)”工艺被用于制造带仿形冷却的模具，来生产高尔夫球。四腔模具运行500万次周期、生产2000万只球不会出现问题。直接金属激光烧结也被用于几十万只玻璃填充PBT材料的插座的生产模具当中。

. o0 \. f& I, }' ]; U0 L ' `+ p! A6 G/ U; L

　　双金属压条法

. W8 @! R1 j% b& C! b ~; { B

　　POM集团的“直接金属沉积技术”生产出金属粉末材料密集度达99.8%的模具部件。该工艺于1998年被商业化，利用了5kw功率的激光与粉末状模具钢(D-2、H-13、P-20、不锈钢或其它许多种类)。为了做出高导热率的模具或零件，第一步就是要由类似Ampco 940铬铜合金的导热性金属做出模芯。然后钢壳通过直接金属沉积方法被沉积在模芯上。

1 U4 ?. t) d- n* d, _, u+ y $ l, G/ g2 g+ b( a

　　双金属模具将高传导性金属与耐磨模具钢结合在一起

# D; w8 b/ U; D. y5 _! x1 k ) l ~" `, V) M9 J: ^

　　该工艺开始于专门设计的喷嘴，有激光、金属粉末和惰性气体分别所用到的孔，创造出无氧的环境。模具一层又一层地沿着出自CAD文件的模具路径而建造。少量的粉末金属通过喷嘴中的孔被注射到直径1-2mm的地方。当粉末到达底层表面，激光束就同时把金属熔化成一小滩，当激光继续移动时就会迅速冷却下来。建造速度的范围从2到9立方英寸/小时。模壳以0.5-1.25mm的层次被建造成接近网络的形状，0.007-0.010的过度材料必须以传统打磨或电火花加工来弄完。POM公司声称在模芯和模壳之间有着真正冶金学上的结合，这是依靠以金属为基础的“界面”或粘合层来实现的。

　　POM集团提供五轴直接金属沉积机器，工作面积为1×2×0.75米。根据所用粉末金属合金的不同，直接金属沉积能生产出表面硬度高达62Rc的钢质模壳。因为这样，POM能利用其技术来修理损坏的模具。如果因为塑件设计变化而对模具进行修正，那么只能切削掉有待改变的区域，新的形状被直接以直接金属沉积方法添加到模具中，并被加工成最终的尺寸。不同于传统的重造模具，没必要让整个模具经历热处理来硬化重造部分。而且，直接金属沉积可以被用来将仿形冷却流道加入到老式模具的滑块、嵌件等当中，来缩短周期时间。

8 e3 [4 _, h" a& i0 ]* Q* Q

　　美国肯塔基州路易斯维尔大学的快速原型中心拥有一套来自POM的直接金属沉积系统，并对铬铜与H13号钢的双金属模具进行广泛的测试，来评估模具寿命与整体性能。单模腔模具运用PP材料的冷却时间为零，将整体周期由27秒缩短至22秒，同时仍然生产出可接受的塑件。该中心也正在测试直接金属沉积模具用于铝质铸模的能力，其加工环境要苛刻得多。

　　另一个关于双金属压条法的快速模具工艺是RSP的“工艺”，这是一种金属喷涂沉积方法，可生产99.5%-99.8%完全密集的模芯与模腔。依靠立体平版印刷或其它快速原型工艺，快速凝固工艺使用了陶瓷模型。熔化的钢被注入到喷嘴中，在这里它会与惰性气体的管道流相遇，气体把18”-24”大小的小滴传送到塑件表面。小滴快速地冷却，并当碰到模型时就会立即凝固下来。喷嘴能沉积材料的速度达到500lb/hr。喷涂沉积过程逼真地模仿表面细节。为了形成壳/芯结构，被沉积的钢升温，然后一层铜合金被喷涂在钢的上面。通过停止喷涂过程、放置铜管、装入更多被喷涂的金属，仿形冷却管线就可以被添加到模具中。

5 U% E& x/ K% I6 g* M- h

　　对钢层进行喷涂首先使待建造的层面均匀，这将从成型表面均衡地转移热量。纵贯模具的铜层厚度不一样，铜占据了嵌件的整个深度。

　　钢与铜之间的结合通过粗糙的喷涂技术而形成，所以钢的敞开面极为粗糙。当铜被喷涂在钢上时，它会渗透到隐蔽处和裂缝中，形成坚固的物理性结合，尽管不是一种冶金学上的结合。

& P$ [$ y$ Q( W

　　可以在几分钟内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，并设计了生产能力更大的机器。

' T& s1 P- O4 B5 @) ? 1 a. t e3 w# a$ z# c

　　RSP公司的工艺可以用上至少10种不同的模具钢与更软的材料。当使用H13号钢时，模具硬度能超过传统热处理H13号钢的60Rc。这要归因于被喷涂小滴的快速淬火影响着颗料结构与强度。RSP模具也可以被热处理与回火。

; A2 J+ A2 q/ Q3 E/ _4 m ! D# K- k4 K& b0 H# {

　　RSP正在对具有更高硬度的铬含量高的金属进行评估，也在测试Inconel，一种高温型防腐蚀镍/铬/铁合金。进一步的发展也将在喷涂过程时提供混合不同金属的能力。

! L0 W# W8 m f: o" N3 r- w : U; `" D# i; l" \* q- ~

　　快速模具不再只是用于原型了

1 h" P/ c: t; x* n, Y$ i2 I* b" f( S

　　混合金属表面

3 s, x4 L0 \9 ^, C1 V

　　“选择性激光烧结(SLS)”是由DTM公司于1996年商业性推出的模具工艺。DTM被三维系统公司所收购。为实现快速模具，该工艺首先用聚合物粘合剂做出了钢粉材料的“绿色”部件。该部件是通过粉末的快速烧结以薄层状建造起来的，作为源自CAD模型的激光跟踪路径。绿色部件被置于脱粘炉当中，在这里粘合剂被烧掉。然后部件中的空间被熔化的铜与钢的渗透所填充。最后的步骤就是加热烧结与最终部件的退火。