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