1、快速成型技術及應用快速成型技術及應用張汪年張汪年第六章第六章 快速原型的金屬鋼質硬模制造技術快速原型的金屬鋼質硬模制造技術一、燒結工具鋼一、燒結工具鋼/碳化鎢滲銅碳化鎢滲銅（3D keltool）模）模 燒結工具鋼燒結工具鋼/碳化鎢滲銅（碳化鎢滲銅（3D keltool）模）模3D Systems公司的公司的“Keltool”工藝是粉末燒結法工藝是粉末燒結法的代表。的代表。 該方法是通過母模復制的硅橡膠，澆鑄工具鋼該方法是通過母模復制的硅橡膠，澆鑄工具鋼粉粒、碳化鎢粉粒和黏結的混合物，再進行燒結、粉粒、碳化鎢粉粒和黏結的混合物，再進行燒結、滲銅而形成的模具。滲銅而形成的模具。 模具的壽命取決于

2、燒結的材料，一般都在模具的壽命取決于燒結的材料，一般都在1萬萬件以上。這種模具與鋼模、鋁模有相似的特性，件以上。這種模具與鋼模、鋁模有相似的特性，有很好的特征和表面粗糙度，適合幾乎所有的樹有很好的特征和表面粗糙度，適合幾乎所有的樹脂。若需要提高模具的精度，可采取添加微細球脂。若需要提高模具的精度，可采取添加微細球狀粉末等措施。狀粉末等措施。1、3D keltool模的制作過程模的制作過程 （1）.由由SLA快速成形系統方法生成快速原型，快速成形系統方法生成快速原型，如如圖圖a。 （2）.將模芯原型放入制模箱中，制模箱中澆入將模芯原型放入制模箱中，制模箱中澆入RTV硅膠，固化后取出原型，制成硅膠

3、，固化后取出原型，制成RTV硅橡膠模，硅橡膠模，如如圖圖b。 3.將硅橡膠放入制模箱中，澆入將硅橡膠放入制模箱中，澆入A6鋼粉、碳化鎢鋼粉、碳化鎢以及環氧樹脂黏結劑組成的漿液，如以及環氧樹脂黏結劑組成的漿液，如圖圖c。 4.待漿液固化后，取出模芯初型，放入爐中燒結。待漿液固化后，取出模芯初型，放入爐中燒結。在高溫下，燒去黏結劑，形成質地疏松的在高溫下，燒去黏結劑，形成質地疏松的A6鋼鋼碳化鎢模芯。然后對模芯進行滲銅處理，制成全碳化鎢模芯。然后對模芯進行滲銅處理，制成全密度的密度的A6鋼碳化鎢銅金屬模芯，如鋼碳化鎢銅金屬模芯，如圖圖d。 2、 3D Keltool模的主要優點模的主要優點 1.K

4、eltool模芯材料通常含有模芯材料通常含有70A6鋼和碳化鎢，鋼和碳化鎢，因因WC硬度高，模具硬度熱處理后可達硬度高，模具硬度熱處理后可達4044HRC，所以耐磨，變形小。，所以耐磨，變形小。 2.模具表面質量好，拋光后其表面粗糙度可達模具表面質量好，拋光后其表面粗糙度可達2025m。 3.具有較好的機械加工性能，可如同傳統模具一具有較好的機械加工性能，可如同傳統模具一樣進行后處理，如拋光、磨削、焊接等。樣進行后處理，如拋光、磨削、焊接等。 4.模具壽命長，如：對于填充的熱塑性塑料（如模具壽命長，如：對于填充的熱塑性塑料（如聚丙烯，聚丙烯，ABS，尼龍等），有的，尼龍等），有的Keltool

5、鑲塊的鑲塊的壽命高于壽命高于300萬次。萬次。 5.keltool因為含有銅，因此具有良好的導熱性，因為含有銅，因此具有良好的導熱性，可以縮短制件時間，一副模具約需可以縮短制件時間，一副模具約需8天，而用傳天，而用傳統方法需要統方法需要48周。周。 6.該功率制模的收縮率為該功率制模的收縮率為0.6，且收縮線性、同，且收縮線性、同向，因此可在形成向，因此可在形成STL格式文件時作為變量輸入。格式文件時作為變量輸入。 7.目前，目前，Keltool工藝制作模芯的最大尺寸為工藝制作模芯的最大尺寸為150mm215mm145mm，最大體積為，最大體積為2.3L，對于較大尺寸的模芯，可以分割制作后進行

6、組合。對于較大尺寸的模芯，可以分割制作后進行組合。 8.可制作形狀復雜，具有細微特征的模具，相對可制作形狀復雜，具有細微特征的模具，相對成本低。成本低。3、3D Keltool模的主要局限模的主要局限 1.Keltool模的技術新，應用時間短，工藝不穩定。模的技術新，應用時間短，工藝不穩定。 2.母模必須要精確、穩定，因此，對于尺寸大于母模必須要精確、穩定，因此，對于尺寸大于125mm以上的模具，快速成形系統不能保證母模的精度在以上的模具，快速成形系統不能保證母模的精度在0.05mm以內以內 3.對于不同的型芯和型腔，甚至對于同一型芯或對于不同的型芯和型腔，甚至對于同一型芯或者型腔的不同部位，

7、者型腔的不同部位，3D Keltool模的精度也會因模的精度也會因收縮率的變化而造成不一致。收縮率的變化而造成不一致。 4.由于精度和一致性的問題，有的由于精度和一致性的問題，有的3D Keltool鑲鑲塊可能需要后續機械加工，增加模具制作費用和塊可能需要后續機械加工，增加模具制作費用和時間。時間。二、二、Rapid-ToolTM制模技術制模技術 SLS直接燒結低碳鋼直接燒結低碳鋼滲銅膜的工藝是滲銅膜的工藝是DTM公司公司采用專利的采用專利的SLS過程開發的，稱作過程開發的，稱作Rapid-ToolTM。 使用的材料有使用的材料有PVC、PC、聚合黏結劑包裹的、聚合黏結劑包裹的低碳鋼粉末，聚合

8、黏結劑包裹的低碳鋼粉末，聚合黏結劑包裹的420不銹鋼粉末不銹鋼粉末等等。等等。2、Rapid-ToolTM模建立過程模建立過程 1.使用使用Rapid-ToolTM工藝，激光束燒結低碳鋼和工藝，激光束燒結低碳鋼和黏結劑粉粒，使它們融合在一起，并一層一層的黏結劑粉粒，使它們融合在一起，并一層一層的建立工件，得到半成品件。建立工件，得到半成品件。 2.半成品的強度很低，只有半成品的強度很低，只有3MPa，因此，為提，因此，為提高強度，將半成品放入含有高強度，將半成品放入含有25H2和和75N2的的電爐中，當爐溫升到電爐中，當爐溫升到700時，幾乎全部的黏結時，幾乎全部的黏結劑去除，從而形成多孔的零

9、件劑去除，從而形成多孔的零件 3.將半成品件放入一個爐中，進行二次處理，加將半成品件放入一個爐中，進行二次處理，加熱去除黏結劑，使金屬粉末融合，并在熱去除黏結劑，使金屬粉末融合，并在1083攝氏攝氏度以上滲入銅，最終獲得全密度的模具。度以上滲入銅，最終獲得全密度的模具。 最終的模具為最終的模具為64體積的金屬和體積的金屬和36體積的銅體積的銅構成。構成。三、低熔點金屬模三、低熔點金屬模 低熔點合金模是采用熔點較低的有色金屬低熔點合金模是采用熔點較低的有色金屬合金作為鑄模材料，以合金作為鑄模材料，以RP 系統或系統或CNC 加加工的樣件為基礎，在熔箱內鑄模成形的一工的樣件為基礎，在熔箱內鑄模成形

10、的一種沖壓模具。種沖壓模具。 常用的低熔點金屬是常用的低熔點金屬是SnBi合金或者合金或者Zn合金。合金。 低熔點材料是一種非常好的快速模具材料，它具低熔點材料是一種非常好的快速模具材料，它具有：有： 1.熔點低，熔化速度快，有利于提高制模效率；熔點低，熔化速度快，有利于提高制模效率； 2.在熔化狀態下流動性好，成模清晰；在熔化狀態下流動性好，成模清晰； 3.具有一定的冷脹性，便于固定模具鑲塊及其它具有一定的冷脹性，便于固定模具鑲塊及其它部件等特點。部件等特點。 4.可以多次重熔，重復利用。可以多次重熔，重復利用。 但是由于低熔點合金材料強度低（抗拉強度只但是由于低熔點合金材料強度低（抗拉強度

11、只有有60MPa左右），所以對于板厚超過左右），所以對于板厚超過1.5mm的板的板材就不十分合適了。材就不十分合適了。1、低熔點金屬模成形過程、低熔點金屬模成形過程 1利用快速成形技術制利用快速成形技術制造沖壓件原型；造沖壓件原型； 2 將沖壓件原型置于將沖壓件原型置于形框中，澆注低熔點形框中，澆注低熔點合金，得到凹模；合金，得到凹模； 3 將凹模取出，再次將凹模取出，再次澆注低熔點合金，得澆注低熔點合金，得到凸模和壓邊圈。到凸模和壓邊圈。 4 將凸模，凹模，壓將凸模，凹模，壓邊圈裝配即可得到沖邊圈裝配即可得到沖壓模。壓模。四、三維打印滲銅（四、三維打印滲銅（Prometal）模）模 三維打印

12、滲銅模（又稱三維打印滲銅模（又稱Moldfusion）的）的工藝是由工藝是由ExtrucleHone公司與公司與MIT合作開合作開發的，因其工藝過程類似于噴墨打印機噴發的，因其工藝過程類似于噴墨打印機噴墨的過程，所以稱為三維打印。墨的過程，所以稱為三維打印。 工藝過程：工藝過程： 1.鋪粉裝置將一層金屬粉末（不銹鋼粉末）鋪在鋪粉裝置將一層金屬粉末（不銹鋼粉末）鋪在成形臺板或前一層粉末上面。成形臺板或前一層粉末上面。 2.然后，在三維然后，在三維CAD模型的二維切片數據驅動下，模型的二維切片數據驅動下，通過噴頭在不銹鋼粉末上噴射一層液態聚合物通過噴頭在不銹鋼粉末上噴射一層液態聚合物（光固化樹脂黏

13、結劑），燈光迅速固化不銹鋼粉（光固化樹脂黏結劑），燈光迅速固化不銹鋼粉上的黏結劑。上的黏結劑。 3.工作臺下降，涂覆另一層不銹鋼粉末，重復工作臺下降，涂覆另一層不銹鋼粉末，重復（1）、（）、（2）步驟，直至完成層層堆積得到半成）步驟，直至完成層層堆積得到半成品；品； 4.把半成品放入加熱爐內，燒去黏結劑，然后進把半成品放入加熱爐內，燒去黏結劑，然后進行二次燒結與滲銅，最終形成行二次燒結與滲銅，最終形成60%鋼和鋼和40%銅的銅的金屬模具。金屬模具。 結果就是近網狀的部件，強度、可壓縮性與硬度結果就是近網狀的部件，強度、可壓縮性與硬度（約（約30Rc）都接近）都接近P20號鋼。最大尺寸是號鋼。最大尺寸是800mm800mm600mm。模具的基本公差小。模具的基本公差小至至0.005，在部件整個長度上的變化率是，在部件整個長度上的變化率是0.002。該模具可以被切削、鉆