快速制模—硬模

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1、快速制模—硬模RapidTooling—HardTooling硬模通常指的是用间接方法制造金属模具和用快速成形直接制作金属模具。目前可以用金属粉末选择性激光烧结技术（SLS）直接制造金属零件或金属模具。用快速成形技术直接制硬模间接方式制造硬模所谓间接方式，是先利用快速成形技术加工出非金属材料的原型，然后借助其他技术将这些非金属原型翻制成金属零件或金属模具。直接制造金属模具常见的几种快速成形方法中，可以直接制作金属模具的主要是选择性激光烧结法（SLS）。将金属粉末用易消失性聚合物包覆，通过选择性激光烧结得到金属粘结实体，在一定温度

2、下使树脂分解消失，然后使成形的金属粉在高温下烧结而得到金属的烧结件，这种烧结件往往是低密度的多孔状结构，为此可以渗入第二相熔点较低的金属后直接形成金属模具。用这种方法制作的钢铜合金注塑模，寿命可达５万件以上。另外，采用金属箔作为LOM造型材料可以直接加工出实型铸造用EPS气化模，可批量生产金属铸件。若用金属材料作为FDM的造型材料，也可以直接形成金属模具。金属粉末的选择性激光烧结制作模具的方法，按其使用金属粉末的组成情况，有以下3种：（1）直接法：金属粉末为单一的金属粉末。一般来说，烧结单一金属粉末需要高功率的激光器，在保护气氛

3、下进行烧结。这样烧结出的模具机械强度高，再经热均衡压处理（HotIsostaticPressing，简称HIP），可使模具的最后相对密度达到99.9％，机械强度可显著提高。铸镁模具的镶块直接金属激光烧结一般采用青铜基的粉末材料。现已开发出两种粒度的粉末材料（即DirectMetal50-V2和DirectMetal100-V3）以适应不同层厚的烧结工艺，其中，粒度非常细（最大50m）的粉末用于0.05mm的层厚，而粒度较大（最大100m）的粉末用于0.1mm的层厚。激光烧结钢粉末材料的一些特性项目激光烧结钢粉末（Dire

4、ctSteel50-V1）极限拉伸强度500N/mm2布氏硬度150-200HB最小孔隙率5%最高操作温度850°C线性热膨胀系数14.5×10-6m/mK(20-700°C)（2）间接法金属粉末为两种金属粉末的混合体，一种熔点较低，而另一种熔点较高。按照一定的比例混合两种金属粉末，并将粉末预热到某一温度（低于低熔点金属的熔点），再用中功率激光器进行选择性激光烧结，将低熔点金属熔化，熔化的金属将高熔点的金属粉末粘结在一起。模具强度较低，需经过后处理，如进行液相烧结（LiquidPhaseSintering，简称LPS）以增加强

5、度。（1）金属作为粘接剂的SLS间接法烧结制模主要采用两种不同熔点金属粉末的混合体进行SLS烧结来制作模具。英国Manchester大学的学者对50％压缩铜粉和50％锡粉的混合物进行SLS烧结，在烧结前先对粉末基底进行压缩，这样烧结出的模具可以减少收缩，成形模具的密度是未进行压缩时的两倍。还可对Cu-Solder(70Pb-30Sn)、Ni-Sn，Sn和Solder等双金属粉末材料进行烧结，但烧结出的金属模具强度很低，性能比较差。为了提高烧结件的性能，就必须提高低熔点金属的熔点。可用熔点接近或超过1000℃的材料作为粘接剂，如B

6、ronze-Ni、StainlessSteel-Cu、Steel-Cu、Steel-Bronze、316LStainlessSteel、M2HighSpeedSteel等混合材料都可进行成功的烧结。复杂冷却水道与模具型芯一次成型改善冷却效果，减少变形，提高模具寿命注射效率可由每分钟5次提高到6次（提高20%）具有随形冷却水道的注塑模具CAD模型用SLS方法制造的具有随形冷却水道的注塑模具模架组装批量生产的香盒注塑零件具有随形冷却水道的注塑模具CAD模型也有使用金属基陶瓷粉末作为SLS烧结结构材料方面的研究。由于金属基陶瓷的熔点很

7、高，可选用中、高温熔点的金属粉末材料作为粘接剂。金属粉末材料（熔点都超过1000℃）和金属基陶瓷粉末混合均匀，烧结时需要使用大功率的激光能量，才能将中、高温熔点的金属粉末熔化，来粘结金属基陶瓷使其成形。目前已成功烧结了WC-Co-Ni、TiB2-Ni、WC-Co、Al2O3-Al、WC-9Co、TiC/Cu-W等材料。（2）有机材料作为粘接剂的SLS间接法烧结制模间接法使用的材料中，以高分子聚合物的有机材料为粘接剂的研究比较多，应用前景很好。结构材料主要是不锈钢、铜和镍等金属粉末，粘接剂聚合物采用热塑性材料。有两类热塑性聚合物可

8、以用做SLS烧结材料中的粘接剂，一类是无定型材料，另一类是结晶型材料。无定型材料分子链上分子的排列是无序的，如PC材料等；结晶型材料分子链上分子的排列是有序的，如尼龙（nylon）材料等。（2）有机材料作为粘接剂的SLS间接法烧结制模材料实际上是金属粉末和有机树