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金属激光烧结技术DMLS在模具上的应用

2014-05-07

1 简介 

通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠以生成致密的几何形状的实体零件。这种零件制造工艺又叫作直接金属激光烧结技术Direct Metal Laser-Sintering(DMLS)。通过选用不同的烧结材料和调节工艺参数,可以生成性能差异变化很大的零件,从具有多孔性的透气钢,到耐腐蚀的不锈钢再到组织致密的模具钢(强度优于铸造或锻造)。这种离散法制造技术甚至实现直接制造出非常复杂的零件,避免了用铣削和放电加工,为设计提供了更宽的自由度。 

本文以德国EOS公司的EOSINT M系统为例,介绍DMLS在模具方面的应用。EOSINT M是在欧洲开发DMLS技术最领先的企业之一,自1995年它的商业化以来十年里,模具行业是其主要的应用领域。这项应用作为最常用的一种快速模具方法是由于大幅缩短了产品开发过程,使样品模型的制造推出时间变得非常短,所以早期的用户也把这称作“样品模”,也就是说这样能缩短模具研制周期。早些年只有相对软的材料适用这种技术,所以大部分塑料样品模具都是这样制做,而随着技术的不断进步,应用领域也扩展到了适用于塑料、金属压铸和冲压等各种量产模具。应用这项技术的优点不仅仅是周期短,而且使模具设计师把心思集中在如何建构最佳的几何造型,而不用考虑加工的可行性与否。结合运用CAD和CAE技术,可以制造出包任意冷却水路的模具结构,如上图1左a所示为的镶件上通上水路以减小模具上热集中最终降低产品收缩变形量;对于关键的模具配件,如图1右b为对热浇口套上加上冷却可以降低成型周期,这样做可以极大地改善品质和并大幅降低生产的成本。今天EOSINT M工作系统正用于百万次的塑胶模具和十万次的冲压和铸造模具。 

图1 冷却水路的模具结构

下面就主要以DMLS的在模具方面的应用实例特别是针对塑料模具的快速开发来展开研讨! 

2 应用快速模具的原因和实例 

2.1 快速模具在制造中节省时间和成本 

模具制造一般是代价很高且耗费时间的一项活动,包含许多步骤,也需要许多昂贵的设备和专业人员。传统的方法,即使加工一个简单的只有前后两半的模具也通常需要CNC铣削和EDM才能加工出来,前模(即注射侧)的型腔和后模(即顶出侧)的沟槽形状。铣削可以将原来的六面体毛胚经过去除材料,按CNC程序提供的路径进行粗加工和精加工,最后不能铣削的深槽和尖的内角再由CNC所铣出来的电极对相应部位进行EDM电腐蚀加工。复杂一些的产品的模具还有滑块,活动镶件及其它机构,生产这类更复杂的模具因此也就更费时费力。所以为了降低成本和时间就有采用DMLS快速模具的动机。DMLS能在各种状况下替换代价高昂CNC和EDM极大地发控作用。如下图2所示是一款PC的LED灯柱的例子:a左为快速模具模仁,b中为注塑模具整体,c右为成型的产品。 


 
图2 PC的LED灯柱


这是一副比较简单的多腔模具,然而传统方式上仍然需要EDM加工。但用EOSINT M 270 system来制做前后模仁总共才花5小时40分,不需要太多的后加工和钳工修配,仅仅只要喷砂和轻微的手工修磨。前后模在架上注塑机后就能直接开机生产。这样从项目启动到开始连续生产只要仅仅6天。 

如下图3所示是一款汽车上操纵杆部件的模具:a左为快速模具的后模,b中为快速模具整个装配件,c右为成型的零件及装配。 


 
图3 汽车上操纵杆部件的模具


上图所包含的操纵杆装配的一些需要生产的零件,大约要5000来装配,总共包含大约14个PA6.6GF的零件要来开模,采用最少加工量的快速模具来生产,这里边14副模具和5000套产品在9个周内全部完成,包括一副因为客户设变原因造成的3个周的延期,该圆形的产品而采用非均匀的收缩率而产生模具修改补正。这样的实际所用6个工作周比原来因为模具供应商采用传统加工方式的交货时间16个周要快得多。另外模具成本也降到了一半。 

2.2 快速模具在制造中解决技术难题 

在其它情况下快速模具也适用于生产高度复杂的模具,包含多种极其复杂的曲面及结构,如下图4所示是几类模具的例子:


 
图4 几类模具的例子图


a左为游戏机面板的模芯,b中和c右为复杂造型的的模芯。 

这些都是由快速模具制造而无后加工的例子,包含倒扣的软胶模具,不用太多的努力就可以很容易地完成制作,而这些倒扣在按传统机加工会增加许多难度。尽管快速制造的模具和样品为量产模增加了实现的方式,而这种方法还经常用在快速成型样品和过渡模具(或中间模具)。 

3 高性能模具的改善方式 

快速模具的主要动机是用DMLS独一无二的特点来改善模具的性能,也就是说在模具生产以后能够获得更好的生产工艺性。当然在大多情况下这包括时间和成本的节省,特别是量产很大的模具,在工艺环节上哪怕有一丁点的浪费都会大幅增加总体成本。如果采用快速模具能优化调节水路以获得均匀的理想的模温和冷却效果,这在行业内是人人皆知的改善模具质量的道理。这样能缩短生产周期和降低产品变形和尺寸问题引起的报废率,其结果是降低了成本也提高了生产率。以传统方式加工水路必须要用钻孔或线切割等方式,这就限制了水路设计必须是直通型式的组合,在不与型腔面和顶针及其它结构有干涉的情况下一般用深孔钻来加工。而采用了DMLS,水路的位置和型式就可以极大地发挥设计者的想象空间,理想的冷却水路是与模具形状相适应的,保证模温均匀和冷却效果。当水路设计能匹配模具的几何造型时,我们就称之为“随形冷却”。 

下图5为一个电器外彀模具随形冷却的例子:a左为传统模具的冷却,b中为可以优化的快速模具的冷却,c右为冷却分析的模具温度模拟。 


 
图5 电器外彀模具随形冷却


许多研究和案例都证实了水路优化的好处,在图5中,由PEP所做的理论和实际生产中,将模具温度降低20度,同时生产周期也降低了20秒。LBC的一个报告指出,当使用快速模具优化水路后他们的生产周期降低了60%,废品率也从50%降低到了0。 

下图6中的项目是随形冷却结合最新模具技术运用的又一个例子:这是一个高尔夫赠品球的模具,量大而成本极低。该产品生产工艺为PP挤吹模塑成型结合弹性体的注塑成型。避免球的变形和困气缺陷并保证圆度是非常重要的,这在吹塑成型中的好的排气是必须的。 


 
图6 随形冷却结合最新模具技术运用


a左为模腔的随形冷却,b中模腔上的排气(绿色小槽),c右为实际模腔剖切图。 

这种结合了排气槽和冷却水路的模具的实现方式,以及选择DMLS材料及工艺参数来制造不带任何外观痕迹而有微细孔的排气合金钢材料模具。它可以使模仁部分的体积做得相当的小相当地紧凑,因此也节省了时间和成本。8个这样的模仁组成一副4腔的模具,达到生产2000万的需求,而这副4腔模具仅仅只需要50小时的加工量,由随形冷却可以提高20%的生产效率。 

4 在模具制造中运用快速模具方法 

在上面所提及的这些益处可以由不同的快速模具制造方法来实现。一个简单的方法了制造模具的型芯(或称模仁)再装入标准的模框或模板中,模板通常用传统机床来加工,这样做是很实际的,仅需要较少的加工,而将由DMLS制做的模仁直接装入模架再上注塑机,也就是说不需要太多手工修配,非常方便,如下图7所示:


 
图7 模板的加工


a左为机加工的铝材质模仁及DMLS制做的镶件,b右为带有DMLS制做滑块及其附件的模具。DMLS通常与其它常用的模具加工方法一起组成叫做“混合型”的制造工艺,这样就有变化多样的应用。例如像手机的一件外彀就带有一半复杂的型芯型状(内部结构),另一半是简单的自由曲面的型腔(可见的外观)。在型芯模仁上采用DMLS制造而在型腔模仁上用传统铣削,对于一些相对很复杂的小零件也就用DMLS制造出来再装配到铣好的模腔中,上图7左a的铝模就是这样的例子。在环氧树脂浇铸模上也可以采用此种类似的方法。就算再复杂再困难的模具零件都可以用DMLS来做,比如在环氧树脂浇铸模中有不足以支持充模压力的薄壁部分的强度。DMLS材料在模具的各种部件都有多种的用途,比如上图7右b它可以用来制造滑块及压板等,为了防止磨损,相互运动的部件采用不同的DMLS材料,智能模具概念也是从成本效益的目的上来优化水路的。 

下图8是也随形冷却模具的例子:


 
图8 随形冷却模具的例子图


a左为PE吹塑瓶模,由于瓶的颈部壁较厚,传统的冷却限制着生产周期和生产率,而采用DMLS工艺制造一个小镶件来快速冷却颈部镶件,这样就可以使生产周期从15秒降到8或9秒,改善了近70%的生产效率,但不会造成任何品质上的牺牲。b中为一个从后模顶出结构上考虑冷却的镶件,旨在带走浇口附近的大量的热,这样也降低了三分之二的生产周期。c右为包含了一种螺旋形状的随形冷却的模芯,比较起来模芯相应地在尺寸上也减小了一半。加工这样较小的零件是很经济的,先放在EOSINT M270系统上加工,胶位顶部留下0.3mm的余量再用传统抛光等精加工达到所要的表面纹理。 

DMLS也常用于模具的设计变更或对损毁零件的修复上。 

5.使用材料和应用策略 

各种的金属材质对于在EOSINT M系统上使用都是适合的。新材料不断地研发出来,大多数相关应用于量产模具的是高等级高强度折模具钢,尽管在市面上这些粉末冶金钢都有售,但它们还是低于EOS 的MS1钢。在EOSINT M机台中金属粉末材料被熔融烧结生成硬度为36~39 HRC的致密的零件,过后还可热处理(490度6小时)达到53~55HRC,抗拉强度超过1900 MPa的材质结构。以这种方式制做的模具零部件可以像传统模具钢材一样被铣削,电腐蚀和抛光。图8的中b和右c就是采用这种方法制造的。 

万一需要用到较低强度硬度的模具,用快速速模具通常换一种材料便是,采用专用的铜镍基合金材料DM20,这种材料的优点是非常容易加工及抛光,所以在样品模和低产量模具上应用非常普遍。生产局部特殊结构例如需要疏松透气的零件,调校激光烧结的工艺参数可以极快地完成零件制做,同时表层也保持高度致密的结构。图2. 图4和图7都是采用这种方法. 

其它情况下快速模具也使用各种DMLS材料,例如不锈钢就能用于有腐蚀性塑胶的模具. EOSINT M系统可以在一个金属板的基础上加工零件,这金属板称为基座零件.利用DMLS直接将型腔熔融烧结到基座金属板上,下图9 左a所示是多个模仁镶件如何加工并到一个基板上的例子.单个的镶件由锯或线切割切出来,中b展示了长部件与相应基板. 当如果不是很方便将排布有有较稀或间隔的许多冷却针结合到基板上,那就需要用DMLS建立过后可以去掉的支撑结构如图右c. 


 
图9 利用DMLS直接将型腔熔融烧结到基座金属板上


中b说明多长的(305MM长的杆)零件在EOSINT M机器上为了节省时间可以用躺着来加工。右c说明一系列标准的冷却针镶件可以在EOSINT M机器上一起加工出来,200根冷却镶针用了30个小时全自动地加工完成(过程中无人操作)。这种高效和实用的方法用于制造量大耐损损耗的圆Pin类模具配件。这些基板上的零件还可以通过线切割高效地分割或切割出来。如果是边角平直的零件对于后工序来说就容易使用了,零件的侧面或几何平直规则。可以在一些复杂或反复使用的情况下,这些部位就有利于装夹定位和操作。 

图10是在EOSINT M机器上使用Erowa装夹系统的例子:a左为EOSINT M机器夹头,b中为卡盘夹栓,c右为夹头卡盘装配位置。 


 
图10 在EOSINT M机器上使用Erowa装夹系统


这样一种基于采用Erowa150装夹工具的EOSINT M系统是非常实用的.特别是在模具工场有这样的系统很有用。根椐用户特殊的需求和希望,而采用不同的配置方案,比如包含的软件可以很容易使机器与零件的座标定位。 

6 结束语 

上面的例子及主要内容正是发表在EOSINT M用户刊物上一篇有关DMLS技术在模具行业广泛应用的精选片断。这种新的工艺是快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术的基础上不断发展而来的,从最初应用于塑料产品逐步发展到应用于各种模具。最近几年来的应用从样品模具到量产模具再到复杂模具,在国外已经建立起了这种工艺弥补CNC和EDM加工不足的的通用加工模式,使传统制造加工耗时费力的制程得到大大改善,这也是它在逐步应用并很受欢迎的一大亮点。 

注:原文作者为国外的Mike Shellabear博士和Joseph Weilhammer先生 ,笔者只进行了一些简单的翻译和编辑,希望能将国外的先进制造工艺和方法向国内同行进行探讨交流和引进吸收.
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