快速造模技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和技術(shù)瓶頸
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快速模具技術(shù)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(lái)。這依然是正確的。但在最近幾年中，快速模具技術(shù)發(fā)展成為了能提供周期比傳統(tǒng)技術(shù)快出40%的制模技術(shù)�？焖倌＞呒夹g(shù)的用途由原型變換到充分生產(chǎn)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(nèi)部張力，同時(shí)通過(guò)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(lái)提高生產(chǎn)力。對(duì)較新高導(dǎo)熱率模具的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，成型周期中的冷卻時(shí)間可被設(shè)定至零，而工藝仍會(huì)產(chǎn)出可接受的部件。 傳統(tǒng)制模受到兩個(gè)因素的限制：一是標(biāo)準(zhǔn)模具鋼如H-13、 P-20或不銹鋼的導(dǎo)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(dǎo)熱性強(qiáng)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(jìn)入到模具主體內(nèi)部并吸取熱量的導(dǎo)熱管或“熱銷”，來(lái)克服這些限制。
一些傳統(tǒng)制模用到的導(dǎo)熱合金有著高達(dá)30-40 Rc的硬度值，接近于P-20號(hào)鋼。也有一些將銅合金和鋁預(yù)硬化至相似水平的方法。但是今天的快速模具技術(shù)在雙金屬結(jié)構(gòu)中把導(dǎo)熱性金屬與模具鋼相結(jié)合，提供的導(dǎo)熱率高，硬度達(dá)50-80Rc，相當(dāng)于H-13號(hào)鋼或更好。 關(guān)于硬質(zhì)但導(dǎo)熱性強(qiáng)金屬的新成果能對(duì)快速模具被接受程度產(chǎn)生所需要的提升，快速造模已經(jīng)激發(fā)了很大的關(guān)注，但被制模業(yè)者或成型業(yè)者采用的情況一般。對(duì)于多數(shù)部件，快速模具技術(shù)已經(jīng)在原型以及小規(guī)模生產(chǎn)中得到應(yīng)用�，F(xiàn)在，所謂“橋”式模具應(yīng)用和大規(guī)模作業(yè)被快速模具所把握�；旧希F(xiàn)在的目標(biāo)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(shù)的范圍包括了生產(chǎn)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(dǎo)熱金屬材料的模芯。POM集團(tuán)提供“直接金屬沉積（dmd）”工藝，它是噴涂金屬粉末的同時(shí)用激光進(jìn)行熔化。快速模具技術(shù)供應(yīng)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(lái)為D-M-E公司生產(chǎn)模具嵌件，產(chǎn)品名稱為“模熔（MoldFusion）”。 激光燒結(jié)技術(shù)被用來(lái)制造模具嵌件，它們不是分層的，而是鋼與導(dǎo)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(shí)能操控導(dǎo)熱性模具鋼的密度與機(jī)械性能從而制成“殼－芯”結(jié)構(gòu)。 做出與部件表面輪廓相符合的模具冷卻流道對(duì)于所有這些快速模具技術(shù)都是常見(jiàn)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(huì)引起所需冷卻管線總數(shù)的降低，有可能節(jié)省裝模時(shí)間。 仿形冷卻與傳統(tǒng)冷卻管線相比，有著明顯的優(yōu)勢(shì)。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(nèi)，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(jìn)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(jìn)行有目的地確定好。 POM集團(tuán)的業(yè)務(wù)經(jīng)理Jerry Janson稱：“仿形冷卻對(duì)于我們所有顧客來(lái)說(shuō)并不是萬(wàn)能藥，所以我們與許多大客戶一起合作來(lái)達(dá)到成功。我們已經(jīng)對(duì)仿形冷卻展開了研究工作，所縮短周期時(shí)間的幅度由8%上升到40%。”很多工作因?yàn)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(yīng)用這樣一個(gè)例子，它將塑件周期時(shí)間由54秒縮短至36秒，降幅達(dá)三分之一。 不只是用于原型 快速模具技術(shù)正在規(guī)模生產(chǎn)中證明自己。POM集團(tuán)建造了直接金屬沉積模具，已經(jīng)生產(chǎn)出50萬(wàn)-100萬(wàn)只塑件。它的模具已被用于PC、TPO和PP納米復(fù)合物的成型。 E OS公司稱其“直接金屬激光燒結(jié)(dmls)” 工藝被用于制造帶仿形冷卻的模具，來(lái)生產(chǎn)高爾夫球。四腔模具運(yùn)行500萬(wàn)次周期、生產(chǎn)2000萬(wàn)只球不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。直接金屬激光燒結(jié)也被用于幾十萬(wàn)只玻璃填充PBT材料的插座的生產(chǎn)模具當(dāng)中。 雙金屬壓條法 POM集團(tuán)的“直接金屬沉積技術(shù)”生產(chǎn)出金屬粉末材料密集度達(dá)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(dǎo)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(dǎo)熱性金屬做出模芯。然后鋼殼通過(guò)直接金屬沉積方法被沉積在模芯上。
POM集團(tuán)提供五軸直接金屬沉積機(jī)器，工作面積為1×2×0.75米。根據(jù)所用粉末金屬合金的不同，直接金屬沉積能生產(chǎn)出表面硬度高達(dá)62Rc的鋼質(zhì)模殼。因?yàn)檫@樣，POM能利用其技術(shù)來(lái)修理?yè)p壞的模具。如果因?yàn)樗芗O(shè)計(jì)變化而對(duì)模具進(jìn)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(méi)必要讓整個(gè)模具經(jīng)歷熱處理來(lái)硬化重造部分。而且，直接金屬沉積可以被用來(lái)將仿形冷卻流道加入到老式模具的滑塊、嵌件等當(dāng)中，來(lái)縮短周期時(shí)間。 美國(guó)肯塔基州路易斯維爾大學(xué)的快速原型中心擁有一套來(lái)自POM的直接金屬沉積系統(tǒng)，并對(duì)鉻銅與H13號(hào)鋼的雙金屬模具進(jìn)行廣泛的測(cè)試，來(lái)評(píng)估模具壽命與整體性能。單模腔模具運(yùn)用PP材料的冷卻時(shí)間為零，將整體周期由27秒縮短至22秒，同時(shí)仍然生產(chǎn)出可接受的塑件。該中心也正在測(cè)試直接金屬沉積模具用于鋁質(zhì)鑄模的能力，其加工環(huán)境要苛刻得多。 另一個(gè)關(guān)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(chǎn)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(huì)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(dāng)碰到模型時(shí)就會(huì)立即凝固下來(lái)。噴嘴能沉積材料的速度達(dá)到500lb/hr。噴涂沉積過(guò)程逼真地模仿表面細(xì)節(jié)。為了形成殼/芯結(jié)構(gòu)，被沉積的鋼升溫，然后一層銅合金被噴涂在鋼的上面。通過(guò)停止噴涂過(guò)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(duì)鋼層進(jìn)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(zhuǎn)移熱量�？v貫?zāi)＞叩你~層厚度不一樣，銅占據(jù)了嵌件的整個(gè)深度。 鋼與銅之間的結(jié)合通過(guò)粗糙的噴涂技術(shù)而形成，所以鋼的敞開面極為粗糙。當(dāng)銅被噴涂在鋼上時(shí)，它會(huì)滲透到隱蔽處和裂縫中，形成堅(jiān)固的物理性結(jié)合，盡管不是一種冶金學(xué)上的結(jié)合。 可以在幾分鐘內(nèi)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(shè)計(jì)了生產(chǎn)能力更大的機(jī)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(dāng)使用H13號(hào)鋼時(shí)，模具硬度能超過(guò)傳統(tǒng)熱處理H13號(hào)鋼的60Rc。這要?dú)w因于被噴涂小滴的快速淬火影響著顆料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度。RSP模具也可以被熱處理與回火。 RSP正在對(duì)具有更高硬度的鉻含量高的金屬進(jìn)行評(píng)估，也在測(cè)試Inconel，一種高溫型防腐蝕鎳/鉻/鐵合金。進(jìn)一步的發(fā)展也將在噴涂過(guò)程時(shí)提供混合不同金屬的能力。
“選擇性激光燒結(jié)（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(gòu)。為實(shí)現(xiàn)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(guò)粉末的快速燒結(jié)以薄層狀建造起來(lái)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(dāng)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(jié)與最終部件的退火。 這個(gè)工藝一般產(chǎn)生出含60%的鋼與40%的青銅的均一部件，硬度達(dá)39Rc。近網(wǎng)狀部件在脫粘步驟之后幾乎沒(méi)有經(jīng)歷皺縮。這是一個(gè)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(jié)提供兩種不銹鋼粉末：420號(hào)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(jié)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(jù)稱能造出的模具比傳統(tǒng)模具的冷卻速度高出40%。 同時(shí)，三維金屬“印制”工藝?yán)昧藝娔焖僭图夹g(shù)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(jī)械的Extrude Hone公司于2000年實(shí)現(xiàn)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(jī)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(fù)以上步驟。該部件被放置在燒結(jié)爐當(dāng)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(jié)部件被銅所滲透，實(shí)現(xiàn)完全的充分致密性。 結(jié)果就是近網(wǎng)狀的部件，一般是含60%的鋼與40%的青銅，強(qiáng)度、可壓縮性與硬度（約30Rc）都接近P20號(hào)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(gè)長(zhǎng)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(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)性，引起15%的線性皺縮，而當(dāng)部件被滲透時(shí)的皺縮率只有1%。在任何情況下，模具在大約幾天時(shí)間內(nèi)就能被做出來(lái)。 ExOne正在對(duì)幾種新的制模材料進(jìn)行評(píng)估，包括模具鋼、不同的不銹鋼/銅組合、含有改進(jìn)硬化的添加劑的傳導(dǎo)性合金。對(duì)仿形冷卻的研發(fā)是一個(gè)重要焦點(diǎn)。ExOne公司用金屬印制工藝所產(chǎn)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(qiáng)的模具比傳統(tǒng)模具的價(jià)格要高于10%-30%。但是，快速模具供應(yīng)商稱成型業(yè)者將看到通過(guò)更快冷卻與更高生產(chǎn)力所帶來(lái)的快速投資回報(bào)。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(lái)的成本接近普通模具。 高導(dǎo)熱性快速模具的雙金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一些在粘合、熱應(yīng)力、膨脹收縮系數(shù)、可能分層等方面的問(wèn)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(yīng)商們已經(jīng)對(duì)如何與何處使用他們的技術(shù)表現(xiàn)出謹(jǐn)慎，他們稱不懈的研發(fā)努力的目標(biāo)是要改進(jìn)他們的技術(shù)。 “我們正在研究改進(jìn)鋼與銅之間結(jié)合的方法，” RSP公司的Knirsch說(shuō)，“我們有幾種模具將投入生產(chǎn)，它將是在頂部有H13號(hào)模具鋼的非合金銅。我們擁有的數(shù)據(jù)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(lái)減少兩種金屬間的分層，而同時(shí)像RSP的一些企業(yè)依賴于模具制造過(guò)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?yán)昧讼嗳菪圆牧�，以減少分層的機(jī)率。銅合金與不銹鋼相容，令銅滲入到不銹鋼的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。 有些成型業(yè)者可能擔(dān)心復(fù)合金屬表面是否有足夠的硬度來(lái)應(yīng)對(duì)苛刻的成型作業(yè)。一個(gè)佐證是由選擇性激光燒結(jié)法（SLS）生產(chǎn)出來(lái)的模具。許多快速模具用戶不對(duì)模具進(jìn)行熱處理，而是對(duì)沒(méi)有問(wèn)題的表面鍍鉻或鍍鎳。但是，電鍍?cè)龆嗔艘粋�(gè)步驟，延長(zhǎng)了模具交貨時(shí)間。 3D Systems公司相信即使未電鍍的SLS模具也將表現(xiàn)出良好的耐磨性能。滲透性銅具有一定的耐磨性，可用作潤(rùn)滑劑。一些用戶用該公司的模具已經(jīng)看到了比傳統(tǒng)材料更好的耐磨效果。 為使快速模具達(dá)致成功，成型業(yè)者需要學(xué)會(huì)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(huì)獲得恰當(dāng)?shù)奶畛�。利用冷卻增強(qiáng)型方法的成型業(yè)者可能必須提高注射壓力和速度，來(lái)調(diào)節(jié)成型工藝，從而確保材料在模具內(nèi)到達(dá)填充的盡端。他們可能還必須提高樹脂的溫度。幾家供應(yīng)商正在研究計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)或其它有限元分析軟件，來(lái)開發(fā)針對(duì)雙金屬組成模具的工藝模式。 優(yōu)化熱導(dǎo)性模具的成型過(guò)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(shí)間。 乏對(duì)仿形冷卻工作原理的了解只會(huì)令成型者更快地做出許多劣質(zhì)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(diǎn)的模腔，并向后退一段合理距離。 另一個(gè)棘手問(wèn)題是在快速模具中應(yīng)用模具鋼與熱導(dǎo)性金屬的什么有關(guān)性能。如果是對(duì)玻璃填充尼龍這樣的結(jié)實(shí)材料進(jìn)行成型，就需要有足夠的模具鋼來(lái)應(yīng)付磨損。但加的模具鋼越多，傳熱系數(shù)就越小。POM公司稱他們一般在導(dǎo)熱性材料頂部應(yīng)用0.06”-0.1”的模具鋼。其它供應(yīng)商稱這要根據(jù)產(chǎn)品、冷卻程度或顧客所需耐磨性而變化 |
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