金属硬模具制造技术

快速成型技术及应用张汪年zwn2003@126.com第六章

快速原型的金属钢质硬模制造技术一、烧结工具钢/碳化钨－渗铜

（3Dkeltool）模

烧结工具钢/碳化钨－渗铜（3Dkeltool）模3DSystems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。1、3Dkeltool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。（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。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。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。2、3DKeltool模的主要优点

1.Keltool模芯材料通常含有70％A6钢和碳化钨，因WC硬度高，模具硬度热处理后可达40～44HRC，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20～25μm。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。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4～8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150mm×215mm×145mm，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。3、3DKeltool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，3DKeltool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3DKeltool镶块可能需要后续机械加工，增加模具制作费用和时间。二、Rapid-ToolTM制模技术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。2、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25％H2和75％N2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。三、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Sn－Bi合金或者Zn合金。

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。

1、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。四、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。工艺过程：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。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。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800mm×800mm×600mm。模具的基本公差小至±0.005，在部件整个长度上的变化