第26卷第5期 粉末冶金技术 Vol 26. No 5 2008年10月 Powder Metallurgy Technology Oct.2008 具有内置随形冷却水道的注塑模具快速制造 刘锦辉3)∵史玉升2)陈继兵2 1)(黑龙江科技学院机械工程学院,哈尔滨150027) 2)(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉430074) 摘要:采用选择性激光烧结(SLS)技术烧结混加高分子粘结剂粉末的普通铁粉成形注塑模具形坯,而后 形坯经过脱膽、高湿烧结浸渍改性环氧树脂和浸渍后树脂的固化完成注塑模具制造。笔者对模具的强度♂ 精度进行了分析岍究。该方法综合了快速成形制造( Rapid Prototyping& Manufacturing,RP&M)技术的快捷 性和SLS技术自身的优点,既可以缩短制造注塑模具的周期,又能够随塑料件的形状轮廓设置模具中的冷却 水道,从而既加快了商家对于市场需求的反应速度,又提高了注塑效率和注塑件的质量,是一种快速制造适合 小批量生产的注塑模具的切实可行的方法 关键词:快速制造;选择性激光烧结;注塑模具;随形冷却水道 Ra pid manufacture injection mould with builtin conformal cooling channels Liu Jinhui"), Shi Y ', Chen Jibing 1)(College of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science 2)( State Key Laboratory of Plastic Forming Simulation and Die Mould Technology, School of Material Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China) Abstract Injection mould manufacturing encounters the growing competition today, while a rapid way of producing injection mould may win the advantages for it. In this paper, green part of injection mould with conformal cooling channels is manufactured by selective laser sintering (SLS)of commonly used iron powder mixed with polymer owder, and then enduse mould is attained after the green part is debound, sintered at high temperature and filtrated with modified epoxy resin. The strength and accuracy of the mould were investigated. The rapidness of Rapid Prototyping Manufacturing(RP&M)and the advantage of SLS are combined in this production method which shortens the production cycle to a week or so and can also setup cooling channels along the contours of the plastic part. Therefore, the process is proved to be a feasible way to manufacture injection mould for small batch Key words rapid manufacture; selective laser sintering; injection mould; conformal cooling channels 快速成形制造( Rapid Prototyping& Manufac到塑料制件顶出系统的限制,影响了水道的分布大 turing rp&M)技术为注塑模具的快速制造提供了小和数量,注塑件往往达不到均匀快速冷却,从而降 技术平台15,依此技术,新型的塑料零件能够尽低了注塑效率和塑料件的质量。RP&M中的三维 快应时进入市场。以往设计的注塑模冷却水道都是打印和选择性激光烧结(SLS)技术采用粉末分层堆 直线型,水道加工都是采用钻孔的常规方法,加上受积制造的成形方法,能够摆脱常规方法对于水道加 国防预研项目(531270102) 刘锦辉(1973),男,博士后。 Email backmyself a63.om 收稿日期:2007·10-11 2c1994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
具有内置随形冷却水道的注塑模具快速制造3 刘锦辉1) ,2) 3 3 史玉升2) 陈继兵2) 1) (黑龙江科技学院机械工程学院 ,哈尔滨 150027) 2) (华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 ,武汉 430074) 摘 要 : 采用选择性激光烧结(SLS) 技术烧结混加高分子粘结剂粉末的普通铁粉成形注塑模具形坯 ,而后 形坯经过脱脂、高温烧结、浸渍改性环氧树脂和浸渍后树脂的固化完成注塑模具制造。笔者对模具的强度和 精度进行了分析研究。该方法综合了快速成形制造(Rapid Prototyping & Manufacturing ,RP &M) 技术的快捷 性和 SLS 技术自身的优点 ,既可以缩短制造注塑模具的周期 ,又能够随塑料件的形状轮廓设置模具中的冷却 水道 ,从而既加快了商家对于市场需求的反应速度 ,又提高了注塑效率和注塑件的质量 ,是一种快速制造适合 小批量生产的注塑模具的切实可行的方法。 关键词 :快速制造 ;选择性激光烧结 ;注塑模具 ;随形冷却水道 Rapid manufacture injection mould with built2in conformal cooling channels Liu Jinhui 1) ,2) , Shi Yusheng 2) , Chen Jibing 2) 1) (College of Mechanical Engineering ,Heilongjiang University of Science and Technology ,Harbin 150027 ,China) 2) (State Key Laboratory of Plastic Forming Simulation and Die & Mould Technology , School of Material Science and Engineering , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China) Abstract : Injection mould manufacturing encounters the growing competition today , while a rapid way of producing injection mould may win the advantages for it1 In this paper , green part of injection mould with conformal cooling channels is manufactured by selective laser sintering ( SLS) of commonly used iron powder mixed with polymer powder , and then end2use mould is attained after the green part is debound , sintered at high temperature and infiltrated with modified epoxy resin1 The strength and accuracy of the mould were investigated1 The rapidness of Rapid Prototyping & Manufacturing (RP &M) and the advantage of SLS are combined in this production method which shortens the production cycle to a week or so and can also setup cooling channels along the contours of the plastic part1 Therefore , the process is proved to be a feasible way to manufacture injection mould for small batch production1 Key words : rapid manufacture ; selective laser sintering ; injection mould ; conformal cooling channels 3 国防预研项目(531270102) 3 3 刘锦辉(1973) ,男 ,博士后。E2mail :backmyself @1631com 收稿日期 :2007 - 10 - 11 快速成形制造 (Rapid Prototyping & Manufac2 turing ,RP &M) 技术为注塑模具的快速制造提供了 技术平台[1 - 5 ] ,依此技术 ,新型的塑料零件能够尽 快应时进入市场。以往设计的注塑模冷却水道都是 直线型 ,水道加工都是采用钻孔的常规方法 ,加上受 到塑料制件顶出系统的限制 ,影响了水道的分布、大 小和数量 ,注塑件往往达不到均匀快速冷却 ,从而降 低了注塑效率和塑料件的质量。RP &M 中的三维 打印和选择性激光烧结(SLS) 技术采用粉末分层堆 积制造的成形方法 ,能够摆脱常规方法对于水道加 第 26 卷第 5 期 2008 年 10 月 粉末冶金技术 Powder Metallurgy Technology Vol126 , No15 Oct12008
粉末冶金技术 2008年10月 工的诸多限制,从而制造具有复杂冷却系统的注塑型SLS成形系统上完成,该系统采用50WCO2激光 模具6-101,其中的SLS在此方面技术更胜一筹。 器,激光功率连续可调。将模具CAD三维实体结构 美国前DIM公司采用SLS技术主要对高分子模型以S∏L文件格式输入SLS系统中,模具的冷却 材料包覆的1080钢、316和420不锈钢粉末进行烧水道分布如图3所示。从图中可以看出,水道随零 结成形模具形坯,不但粉末原料较昂贵1,而且需件的形状改变,并贴近零件壁,水道的转弯处为圆滑 要对模具形坯进行高温烧结和浸渗低熔点的金属的弧状,并且都处于模具的内部,采用常规方法无法 (一般为铜或青铜)12;由于浸渗低熔点金属的温度对其进行加工 高(1000℃以上),形坯容易变形和开裂。低温浸渍 高分子材料可以避免上述的缺陷13。此,本文作 者选择混加高分子粘结剂粉末的普通屯解铁粉为原 料,利用SLS技术成形带有随形冷却水道的模具形 坯,并通过脱脂、高温烧结和低温浸渍改性的环氧树 脂的工艺方法进一步提高其致密度和强度。笔者在 文中主要论述了采用以上方法制造注塑模具的过 程,并且对模具的强度和精度作了分析研究 1注塑模具的制造 图2电解铁粉SEM形貌照片 采用间接SLS方法成形注塑模具的形坯。所 Fig 2 Morp hology of iron powder 谓间接方法就是利用小功率激光加热添加高分子粘 结剂的金属粉末,使粘结剂软化并粘结金属颗粒,如 此层层堆积粘结成形零件形坯,其成形原理如图1 所示。然后,对形坯进行脱脂、高温烧结、浸渍环氧 树脂和表面处理,最终完成模具的制造 (a)静模 (b)动模 图3动、静模内部的冷却水道分布 铺粉辊 CO2激光器 3 Distributing of cooling channels in the mould S系统成形的主要工艺参数为激光功率、扫 描速度扫描间距、单层厚度及预热温度。预热温度 应接近粘结剂的熔点,这样既能够降低成形所需要 零件粉床 的激光功率,又可以避免扫描后的层面由于较大的 储粉缸 环境温差造成的变形14。通过对试验中的粘结剂 图1SLS成形工艺原理图 材料进行示差扫描量热(DSC)分析,该树脂的熔点 Fig 1 Sketch map of SLS process 在65℃左右,因此预热温度控制在53℃左右。综合 1.1制造模具用粉末材料 考虑成形效率和SLS制造阶梯效应的因素,成形中 模具的骨架材料选用粉末冶金行业常用的电解单层厚度为0.m,扫描速度为2000m/s,扫描 铁粉,粒度为<53m,颗粒形状为不规则的粒状(见间距为0.1mm,都为常用值。文献[15指出,粘结 图2)。粘结剂选择高分子粉末材料,其粒度小于剂的粘结状况与激光能量密度相关,能量密度的表 12m。2种粉末采用三维混粉机进行混合,混合后达式如公式(1)所示 的粉末作为成形粉末原料 PE=P(SP·SCSP (1) 1.2模具形坯的制造 其中P为激光功率,SP为扫描速度,SCSP为 模具形坯在由华中科技大学开发的HARPⅡ扫描间距,为激光能量密度。调节激光功率以改 c1902000000d0sd
工的诸多限制 ,从而制造具有复杂冷却系统的注塑 模具[6 - 10 ] ,其中的 SLS 在此方面技术更胜一筹。 美国前 DTM 公司采用 SLS 技术主要对高分子 材料包覆的 1080 钢、316 和 420 不锈钢粉末进行烧 结成形模具形坯 ,不但粉末原料较昂贵[11 ] ,而且需 要对模具形坯进行高温烧结和浸渗低熔点的金属 (一般为铜或青铜) [12 ] ;由于浸渗低熔点金属的温度 高(1 000 ℃以上) ,形坯容易变形和开裂。低温浸渍 高分子材料可以避免上述的缺陷[13 ] 。因此 ,本文作 者选择混加高分子粘结剂粉末的普通电解铁粉为原 料 ,利用 SLS 技术成形带有随形冷却水道的模具形 坯 ,并通过脱脂、高温烧结和低温浸渍改性的环氧树 脂的工艺方法进一步提高其致密度和强度。笔者在 文中主要论述了采用以上方法制造注塑模具的过 程 ,并且对模具的强度和精度作了分析研究。 1 注塑模具的制造 采用间接 SLS 方法成形注塑模具的形坯。所 谓间接方法就是利用小功率激光加热添加高分子粘 结剂的金属粉末 ,使粘结剂软化并粘结金属颗粒 ,如 此层层堆积粘结成形零件形坯 ,其成形原理如图 1 所示。然后 ,对形坯进行脱脂、高温烧结、浸渍环氧 树脂和表面处理 ,最终完成模具的制造。 图 1 SLS 成形工艺原理图 Fig11 Sketch map of SLS process 111 制造模具用粉末材料 模具的骨架材料选用粉末冶金行业常用的电解 铁粉 ,粒度为 < 53μm ,颗粒形状为不规则的粒状(见 图 2) 。粘结剂选择高分子粉末材料 ,其粒度小于 12μm。2 种粉末采用三维混粉机进行混合 ,混合后 的粉末作为成形粉末原料。 112 模具形坯的制造 模具形坯在由华中科技大学开发的HARP2 Ⅱ 型 SLS 成形系统上完成 ,该系统采用 50WCO2 激光 器 ,激光功率连续可调。将模具 CAD 三维实体结构 模型以 STL 文件格式输入 SLS 系统中 ,模具的冷却 水道分布如图 3 所示。从图中可以看出 ,水道随零 件的形状改变 ,并贴近零件壁 ,水道的转弯处为圆滑 的弧状 ,并且都处于模具的内部 ,采用常规方法无法 对其进行加工。 图 2 电解铁粉 SEM 形貌照片 Fig12 Morphology of iron powder 图 3 动、静模内部的冷却水道分布 Fig13 Distributing of cooling channels in the mould SLS 系统成形的主要工艺参数为激光功率、扫 描速度、扫描间距、单层厚度及预热温度。预热温度 应接近粘结剂的熔点 ,这样既能够降低成形所需要 的激光功率 ,又可以避免扫描后的层面由于较大的 环境温差造成的变形[14 ] 。通过对试验中的粘结剂 材料进行示差扫描量热 (DSC) 分析 ,该树脂的熔点 在 65 ℃左右 ,因此预热温度控制在 53 ℃左右。综合 考虑成形效率和 SLS 制造阶梯效应的因素 ,成形中 单层厚度为 011mm ,扫描速度为 2 000mm/ s ,扫描 间距为 011mm ,都为常用值。文献[ 15 ]指出 ,粘结 剂的粘结状况与激光能量密度相关 ,能量密度的表 达式如公式(1) 所示。 ρE = P/ ( S P ·S CS P) (1) 其中 P 为激光功率 , S P 为扫描速度 , S CS P 为 扫描间距 ,ρE 为激光能量密度。调节激光功率以改 366 粉末冶金技术 2008 年 10 月
第26卷第5期 刘锦辉等:具有内置随形冷却水道的注塑模具快速制造 367 变能量密度,零件的强度只同激光功率相关。最终 的激光功率确定为14W,形坯的强度可达 14.95MPa。激光粘结后的金属粉末颗粒的粘结状 况照片如图4所示,可见,金属粉末基本上为树脂所 粘结包覆。形坯随形冷却水道中存在未烧结的松散 粉末,可以用真空吸尘设备将其吸出。 温度/℃ 图5树脂(氮气中)的TGA曲线 Fig. 5 TGA curve of binder in N2 图4SLs形坯的粉末SEM形貌照片 Fig 4 Morphology of bonded powder 1.3模具形坯的脱脂 粘结剂材料的热分解分析(TGA)在氮气环境 下进行,升温速率为10℃min,温度达到树脂完全 (a)静模;(b)动模 分解为止,其TGA曲线如图5所示。从TGA曲线 图6真空烧结后的模具照片 中可以看出:粘结剂230℃开始分解,400~460℃温 Fig 6 High temperature sintered mould 度段,分解最为剧烈,分解量占总量的70%以上 460~730℃树脂分解速度逐渐降低,30℃左右分解有渗料液体的容器中,并使渗料的液面接近冷却水 完毕。因此依照树脂的TGA曲线,形坯脱脂时分道下缘的平面(见图7),而后将液体渗料刷到形坯 解量大且速度快的温度段,升温时间稍长一些能够的上表面这样可以保证水道不被液体填充。抽真 保证树脂在该温度段分解部分的完全分解,并且减空浸渍真空度保持在0.09MPa,以提高浸渍效率。 缓分解气体冒出的剧烈程度避免气化膨胀对形坯当模具表面的液体渗入形坯中后,再刷另一层,并抽 金属颗粒的冲击。试验将脱脂的最高温度设为真空浸渍。如此反复多次,直至表面液体不再渗入 800℃,依照TαA曲线,树脂可以完全分解脱去,可形坯消失为止,说明树脂己经充满形坯孔隙。用滤 以使形坯得到预烧结,金属颗粒间通过烧结颈连接纸将形坯表面多余的树脂擦净,并将形坯放入恒温 并具有一定的强度,且可以搬运 箱中在160℃下固化4~6h。树脂固化后的模具如 1.4脱脂坯的高温烧结 图8所示。浸渍树脂提高了模具表面光洁度,经过 形坯脱脂后放在真空炉中进行高温烧结,提高表面的抛光处理,表面粗糙度可达Ra<pm 形坯的强度。烧结的最高温度为1180℃。800℃之 水道进出口 前以20σmin的升温速率较快升温;之后,以 200℃h升温速率到180℃,并保温lh。烧结后形 坯的孔隙度为46%左右,烧结坯的表面粗糙度Ra 为2.5~5.0μm,烧结后的模具如图6所示 1.5浸渍改性环氧树脂 将模具高温烧结形坯和渗料一同放在可抽真空 图7树脂浸渍示意图 的恒温箱中预热,温度为110℃。将形坯平放入装 Fig. 7 Sketch map of inf usion o1994-2009ChinaAcademicJOurmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
变能量密度 ,零件的强度只同激光功率相关。最终 的 激 光 功 率 确 定 为 14W , 形 坯 的 强 度 可 达 14195MPa。激光粘结后的金属粉末颗粒的粘结状 况照片如图 4 所示 ,可见 ,金属粉末基本上为树脂所 粘结包覆。形坯随形冷却水道中存在未烧结的松散 粉末 ,可以用真空吸尘设备将其吸出。 图 4 SLS 形坯的粉末 SEM 形貌照片 Fig14 Morphology of bonded powder 113 模具形坯的脱脂 粘结剂材料的热分解分析 ( TGA) 在氮气环境 下进行 ,升温速率为 10 ℃/ min ,温度达到树脂完全 分解为止 ,其 TGA 曲线如图 5 所示。从 TGA 曲线 中可以看出 :粘结剂 230 ℃开始分解 ,400～460 ℃温 度段 ,分解最为剧烈 ,分解量占总量的 70 %以上 ; 460～730 ℃树脂分解速度逐渐降低 ,730 ℃左右分解 完毕。因此 ,依照树脂的 TGA 曲线 ,形坯脱脂时分 解量大且速度快的温度段 ,升温时间稍长一些 ,能够 保证树脂在该温度段分解部分的完全分解 ,并且减 缓分解气体冒出的剧烈程度 ,避免气化膨胀对形坯 金属颗粒的冲击。试验将脱脂的最高温度设为 800 ℃,依照 TGA 曲线 ,树脂可以完全分解脱去 ,可 以使形坯得到预烧结 ,金属颗粒间通过烧结颈连接 并具有一定的强度 ,且可以搬运。 114 脱脂坯的高温烧结 形坯脱脂后放在真空炉中进行高温烧结 ,提高 形坯的强度。烧结的最高温度为 1 180 ℃。800 ℃之 前以 20 ℃/ min 的 升 温 速 率 较 快 升 温 ; 之 后 , 以 200 ℃/ h 升温速率到 1 180 ℃,并保温 1h。烧结后形 坯的孔隙度为 46 %左右 ,烧结坯的表面粗糙度 Ra 为 215～510μm ,烧结后的模具如图 6 所示。 115 浸渍改性环氧树脂 将模具高温烧结形坯和渗料一同放在可抽真空 的恒温箱中预热 , 温度为 110 ℃。将形坯平放入装 图 5 树脂(氮气中) 的 TGA 曲线 Fig1 5 TGA curve of binder in N2 (a) 静模 ; (b) 动模 图 6 真空烧结后的模具照片 Fig16 High temperature sintered mould 有渗料液体的容器中 ,并使渗料的液面接近冷却水 道下缘的平面 (见图 7) ,而后将液体渗料刷到形坯 的上表面 ,这样可以保证水道不被液体填充。抽真 空浸渍 ,真空度保持在 0109MPa ,以提高浸渍效率。 当模具表面的液体渗入形坯中后 ,再刷另一层 ,并抽 真空浸渍。如此反复多次 ,直至表面液体不再渗入 形坯消失为止 ,说明树脂已经充满形坯孔隙。用滤 纸将形坯表面多余的树脂擦净 ,并将形坯放入恒温 箱中在 160 ℃下固化 4～6h。树脂固化后的模具如 图 8 所示。浸渍树脂提高了模具表面光洁度 ,经过 表面的抛光处理 ,表面粗糙度可达 Ra < 1μm。 图 7 树脂浸渍示意图 Fig17 Sketch map of infusion 第 26 卷第 5 期 刘锦辉等 :具有内置随形冷却水道的注塑模具快速制造 367
粉末冶金技术 2008年10月 模具强度高,因此只适合小批量生产。 8浸渍树脂后的模具 Fig8 Injection mould infuse:d 图9是固化后的树脂材料的TGA曲线。从图 中可以看出,在150时几乎没有质量损失,当温 图10模具材料浸渍树脂后组织金相照片 度上升至200℃时,树脂的分解量不到5%,因此可 Fig 10 Micrograph of inf used mould material 与SLS形坯相比,最终模具长、宽方向的收缩 以满足一般注塑模具要求100~150℃的工作温度 率分别为2.8%和3.2%,高向的收缩为5.7%。收 缩原因有以下两点:高分子粘结剂颗粒的脱除;高温 烧结。前者可以通过减小粘结剂的含量和细化粘结 剂颗粒使其分布在金属颗粒的孔隙中且不占据多余 空间加以改善;后者则可通过降低高温烧结温度损 失部分强度来实现。此外,还可以将收缩信息反馈 给CAD三维模型进行尺寸补偿来控制收缩 温度/℃ 3结论 图9固化后树脂TGA曲线 采用间接SLS方法,以普通铁粉为成形原料 Fig 9 TGA curve of cured resi 经高温烧结和浸渍改性环氧树脂,可以制造注塑模 具。这种方法综合了RP&M技术的快捷性和SLS 2模具强度和精度分析 技术自身的优点,可在一周之内制造出具有内置复 模具的强度主要来源于脱脂形坯的高温烧结和杂随形冷却水道的注塑模具,此类模具可以提高注 浸渍改性环氧树脂后的固化。高温烧结后模具是塑效率和塑料件的质量。由于此类模具的强度不及 多孔材料,文献[6表明,多孔材料的强度可由经验致密金属模具高,因此只适合于小批量的生产,而且 公式(2)表示 模具的精度有待于进一步提高 0= Coof(p) (2) 式中:是多孔材料的强度;是对应于多孔 参考文献 材料致密材质的强度fP是与多孔材料密度相关(1 Kumar San, Selective laser sintering: a qualitative and objective 的函数,C是常数。从公式(2)中可以看出,多孔材 approach,JOM,2003,55(10):43-47 料的强度与其致密度相关。可以通过成形较细的金211 ng Jeng Wan modification using hybrid processes of selective laser cladding and 属粉末和减少粘结剂含量提高形坯材料的致密度, milling, Journal of Materials Processing Technology, 2001, 110 从而增加其强度。浸渍树脂并固化后,模具形坯材 98-103 料的金相组织光学显微照片如图10所示,其中的亮31ngD,1ny. Rapid tooling; ective laser sntering injectio tooling, Journal of Materials Processing Technology, 2003, 132 色为金属,暗色为固化后的树脂。树脂也是以多孔 形式与金属共存,由于两种材料都没有严格的方向[4 Pham d t, Nimoy s, Lacan F, Selective laser sintering 性,因此在方向性的力的作用下,两者存在相互作 Applications and technological capabilities. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, part B, 1999, 213(5): 435 用,模具材料的强度是上述两种多孔材料强度非线 性叠加的结果。由上述材料制成的模具没有纯金属 (下转第373页) 01994-2009ChinaAcademicJOurmalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图 8 浸渍树脂后的模具 Fig18 Injection mould infused 图 9 是固化后的树脂材料的 TGA 曲线。从图 中可以看出 ,在 150 ℃时 ,几乎没有质量损失 ,当温 度上升至 200 ℃时 ,树脂的分解量不到 5 % ,因此可 以满足一般注塑模具要求 100～150 ℃的工作温度。 图 9 固化后树脂 TGA 曲线 Fig19 TGA curve of cured resin 2 模具强度和精度分析 模具的强度主要来源于脱脂形坯的高温烧结和 浸渍改性环氧树脂后的固化。高温烧结后 ,模具是 多孔材料 ,文献[ 16 ]表明 ,多孔材料的强度可由经验 公式(2) 表示 : σ = Cσ0 f (ρ) (2) 式中 :σ是多孔材料的强度;σ0 是对应于多孔 材料致密材质的强度 ; f (ρ) 是与多孔材料密度相关 的函数 , C 是常数。从公式 (2) 中可以看出 ,多孔材 料的强度与其致密度相关。可以通过成形较细的金 属粉末和减少粘结剂含量提高形坯材料的致密度 , 从而增加其强度。浸渍树脂并固化后 ,模具形坯材 料的金相组织光学显微照片如图 10 所示 ,其中的亮 色为金属 ,暗色为固化后的树脂。树脂也是以多孔 形式与金属共存 ,由于两种材料都没有严格的方向 性 ,因此在方向性的力的作用下 ,两者存在相互作 用 ,模具材料的强度是上述两种多孔材料强度非线 性叠加的结果。由上述材料制成的模具没有纯金属 模具强度高 ,因此只适合小批量生产。 图 10 模具材料浸渍树脂后组织金相照片 Fig110 Micrograph of infused mould material 与 SLS 形坯相比 ,最终模具长、宽方向的收缩 率分别为 218 %和 312 % ,高向的收缩为 517 %。收 缩原因有以下两点 :高分子粘结剂颗粒的脱除 ;高温 烧结。前者可以通过减小粘结剂的含量和细化粘结 剂颗粒使其分布在金属颗粒的孔隙中且不占据多余 空间加以改善 ;后者则可通过降低高温烧结温度损 失部分强度来实现。此外 ,还可以将收缩信息反馈 给 CAD 三维模型进行尺寸补偿来控制收缩。 3 结论 采用间接 SLS 方法 ,以普通铁粉为成形原料 , 经高温烧结和浸渍改性环氧树脂 ,可以制造注塑模 具。这种方法综合了 RP &M 技术的快捷性和 SLS 技术自身的优点 ,可在一周之内制造出具有内置复 杂随形冷却水道的注塑模具 ,此类模具可以提高注 塑效率和塑料件的质量。由于此类模具的强度不及 致密金属模具高 ,因此只适合于小批量的生产 ,而且 模具的精度有待于进一步提高。 参考文献 [ 1 ] Kumar Sanjay1 Selective laser sintering : A qualitative and objective approach1 JOM , 2003 , 55 (10) : 43 - 47 [ 2 ] Jeng Jeng2Ywan , Lin Ming2Ching1 Mold fabrication and modification using hybrid processes of selective laser cladding and milling 1 Journal of Materials Processing Technology , 2001 ,110 : 98 - 103 [ 3 ] King D , Tansey T1 Rapid tooling : selective laser sintering injection tooling1 Journal of Materials Processing Technology , 2003 , 132 : 42 - 48 [ 4 ] Pham D T , Dimov S , Lacan F1 Selective laser sintering : Applications and technological capabilities1 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers , part B , 1999 , 213 (5) :435 - 449 (下转第 373 页) 368 粉末冶金技术 2008 年 10 月
第26卷第5期 章林等:高压氢还原法制备Ni包SC粉末的研究 参考文献 l152℃ [1 Gan KK, Chen N, Wang Y, et al. SIC ungsten coating prepared by powder metall urgy, Materials Science d Technology,2007,23(1):119.122 [2]邹正军,刘君武,化学镀法制备SCN复合粉体,表面技术, 2002,31(5):19-21 [3]邵忠财,李保山,郭亚萍,等.镍包覆型粉末的制备方法与应 温度/t 用,中国有色金属学报.1998,8(2):277-279 [4]梁焕珍,毛铭华,张荣源.水热加压还原制取镍包石墨,化工 图8包覆粉末差热分析 冶金,1996,17(2):111-116 [5]喻克宁,毛铭华,梁焕珍,Co(OH2碱性浆化氢还原制备超细 Fig 8 The DTA. pattern ol Nr coated Sic Co粉.过程工程学报,2001,1(1) 6]喻克宁,梁焕珍,铜硫化物直接水浆氢还原制备铜粉,有色金 属,2004,56(4):74-79 []徐菊,喻克宁,梁焕珍,等.用Ni(OH2浆化氢还原法制备纳 米金属镍粉的反应机制,材料研究学报,2002,16(2):158 1350℃ [8]李锐星,梁焕珍,喻克宁,等.制备细镍包石墨粉末的动力学 有色金属,2002(5):37-42 9]侯玉柏,曾克里,尹春雷,等,水热氢还原制备镍包金刚石,矿 1140℃ 冶,2006,15(3):38-40 [10]梁焕珍,黎少华,张洁,等,水热还原制备镍包人造金刚石 2(°) 粉末冶金技术,200523(6):418-422 [Il] Kang B S, Won C W, Chun B S, et al. Preparation of nickel-coated 图9包覆粉末热处理态XRD衍射图谱 alumina composite powder by an aqueousphase reduction process. Fig 9 XRD pattern of the powder after heat treatment Journal of Materials Science, 1995, 30(15): 3883-3887 3)Ni包SC复合粉末在1150℃左右会发生反 12]Cao Y, Nyborg L, Yi D Q, et al. Study of reaction process on Ni/4H SIC contact. Materials Science and Technology, 2006,22 应,生成Ni2Si和C (10):1227-1234 (上接第368页) [5] Levy GN, Schindel R. Overview of layer manufacturing technolo mal cooling channels for plastic injection moulding. Journal of Mate- gies, opportunities, options and applications. Proceedings of the als Processing Technology 2003, 142: 508-516 Institution of Mechanical Engineers, part B, 2002, 216( 12): [11 King D, Tansey T. Alternative materials for rapid tooling. Journal 1621-1634 of Materials Processing Technology, 2002, 121: 313-317 [6 Xu Xiaorong Sachs Emanuel, Allen. The design of conformal cool- [12] Kruth J P, Wang X, Laoui T, et al. Lasers and materials in selec- ing channels in injection molding tooling. polymer Engineering and tive laser sintering. Assembly Automation, 2003, 23 (4): 357-371 Science,2001,4l1(7):1265-1279 [13] Zhou Jack G, Monnappa Kokkengada, He Zongyan, et al. Low 7 Sachs Emanuel, Wylonis Edward, Allen Samuel, et al. Production of injection molding tooling with conformal cooling channels using Design,2004,25:145-154 he three dimensional printing process. Polymer Engineering and 14] lan Gibson, Shi Dongping. Materal properties and fabrication pa- Science,200040(5):1232-1247 ameters in selective laser sintering process. Rapid Prototyping [8] Dalgarno K w, Stewart T D. Manufacture of production injection Journal,1997,4(3):129-136 mould tooling incorporating conformal cooling channels via indirect 15)Nelson J C, Xue S, Barlow J W, et al. Model of the selective selective laser sintering. Proceedings of Instit ution Mechanical Er laser sintering of bisphenol polycarbonate. Industrial and Engr- gineering, part B,2001,215:1323-1332 neering Chemistry Research, 1993, 32: 2305-2317 [9] Brian oDonnchadha, Anthony Tansey. A note on rapid metal cor 16] Mukesh Agarwala, David Bourell, Joseph Beaman, et al. Direct posite tooling by selective laser sintering. Journal of Matenals Pro- lective laser sintering of metal. Rapid Prototyping Journal, 1995 cessing Technology, 2004, 153/ 154: 28-34 l(1):26-36 [10] Ferreira J C, Mateus A. Studies of rapid soft tooling with confor- 201994-2009chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
图 8 包覆粉末差热分析 Fig18 The DTA pattern of Ni2coated SiC 图 9 包覆粉末热处理态 XRD 衍射图谱 Fig19 XRD pattern of the powder after heat treatment 3) Ni 包 SiC 复合粉末在 1 150 ℃左右会发生反 应 ,生成 Ni2Si 和 C。 参考文献 [ 1 ] Gan K K , Chen N , Wang Y , et al1 SiC/ Cu composites with tungsten coating prepared by powder metallurgy1 Materials Science and Technology , 2007 , 23 (1) : 119 - 122 [ 2 ] 邹正军 , 刘君武 1 化学镀法制备 SiCp2Ni 复合粉体 1 表面技术 , 2002 , 31 (5) : 19 - 21 [ 3 ] 邵忠财 , 李保山 , 郭亚萍 , 等 1 镍包覆型粉末的制备方法与应 用 1 中国有色金属学报 1 1998 , 8 (2) : 277 - 279 [4 ] 梁焕珍 , 毛铭华 , 张荣源 1 水热加压还原制取镍包石墨 1 化工 冶金 , 1996 , 17 (2) : 111 - 116 [ 5 ] 喻克宁 , 毛铭华 , 梁焕珍 1 Co (OH) 2 碱性浆化氢还原制备超细 Co 粉 1 过程工程学报 , 2001 , 1 (1) : 62 - 65 [ 6 ] 喻克宁 , 梁焕珍 1 铜硫化物直接水浆氢还原制备铜粉 1 有色金 属 , 2004 , 56 (4) : 74 - 79 [ 7 ] 徐菊 , 喻克宁 , 梁焕珍 , 等 1 用 Ni (OH) 2 浆化氢还原法制备纳 米金属镍粉的反应机制 1 材料研究学报 ,2002 ,16 (2) : 158 - 163 [ 8 ] 李锐星 , 梁焕珍 , 喻克宁 , 等 1 制备细镍包石墨粉末的动力学 1 有色金属 , 2002 (5) : 37 - 42 [ 9 ] 侯玉柏 , 曾克里 , 尹春雷 , 等 1 水热氢还原制备镍包金刚石 1 矿 冶 ,2006 , 15 (3) : 38 - 40 [ 10 ] 梁焕珍 , 黎少华 , 张洁 , 等 1 水热还原制备镍包人造金刚石 1 粉末冶金技术 , 2005 ,23 (6) : 418 - 422 [ 11 ] Kang B S ,Won C W ,Chun B S ,et al1 Preparation of nickel2coated alumina composite powder by an aqueous2phase reduction process1 Journal of Materials Science , 1995 , 30 (15) : 3883 - 3887 [12 ] Cao Y , Nyborg L , Yi D Q , et al1 Study of reaction process on Ni/ 4H2SiC contact1 Materials Science and Technology , 2006 , 22 (10) :1227 - 1234 (上接第 368 页) [ 5 ] Levy G N , Schindel R1 Overview of layer manufacturing technolo2 gies, opportunities , options and applications1 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers , part B , 2002 , 216 ( 12 ) : 1621 - 1634 [ 6 ] Xu Xiaorong ,Sachs Emanuel , Allen1 The design of conformal cool2 ing channels in injection molding tooling1 Polymer Engineering and Science ,2001 ,41 (7) : 1265 - 1279 [ 7 ] Sachs Emanuel , Wylonis Edward , Allen Samuel , et al1 Production of injection molding tooling with conformal cooling channels using the three dimensional printing process1 Polymer Engineering and Science , 2000 ,40 (5) :1232 - 1247 [8 ] Dalgarno K W , Stewart T D1 Manufacture of production injection mould tooling incorporating conformal cooling channels via indirect selective laser sintering1 Proceedings of Institution Mechanical En2 gineering , part B , 2001 ,215 :1323 - 1332 [ 9 ] Brian óDonnchadha , Anthony Tansey1 A note on rapid metal com2 posite tooling by selective laser sintering1 Journal of Materials Pro2 cessing Technology , 2004 ,153/ 154 : 28 - 34 [ 10 ] Ferreira J C , Mateus A1 Studies of rapid soft tooling with confor2 mal cooling channelsfor plastic injection moulding1 Journal of Mate2 rials Processing Technology , 2003 ,142 : 508 - 516 [ 11 ] King D , Tansey T1 Alternative materialsfor rapid tooling1 Journal of Materials Processing Technology , 2002 , 121 : 313 - 317 [ 12 ] Kruth J P , Wang X , Laoui T ,et al1 Lasers and materials in selec2 tive laser sintering1 Assembly Automation ,2003 ,23 (4) : 357 - 371 [ 13 ] Zhou Jack G, Monnappa Kokkengada , He Zongyan , et al1 Low temperature polymer infiltration for rapid tooling1 Materials and Design , 2004 , 25 : 145 - 154 [ 14 ] Ian Gibson , Shi Dongping1 Material properties and fabrication pa2 rameters in selective laser sintering process1 Rapid Prototyping Journal , 1997 ,4 (3) : 129 - 136 [ 15 ] Nelson J C , Xue S , Barlow J W , et al1 Model of the selective laser sintering of bisphenol2A polycarbonate1 Industrial and Engi2 neering Chemistry Research , 1993 ,32 : 2305 - 2317 [ 16 ] Mukesh Agarwala , David Bourell , Joseph Beaman , et al1 Direct selective laser sintering of metal1 Rapid Prototyping Journal ,1995 , 1 (1) :26 - 36 第 26 卷第 5 期 章 林等 :高压氢还原法制备 Ni 包 SiC 粉末的研究 373