基于快速原型的金属钢质硬模快速制造技术

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1、第六章基于快速原型的金属钢质硬模快速制造技术金属钢质硬模的直接快速制造，是快速原型技术向快速制造技术的转变，是国内外RP及RT领域内研究的热点及发展方向。这是由于金属钢质硬模制作的快速性，可以使得设计人员想象中的概念模型快速地转换成为试验产品，而试验产品一旦成功，人们又可以利用金属钢质模的刚度与硬度大批量地投入生产，使产品快速占领市场，为企业赢得先机。金属钢质硬模的直接快速制造技术将快速原型技术的快速性及可以制作几何形状极其复杂零件或模具的优越性与机械制造方法（如CNC机床）、电加工制造方法、粉末冶金方法所

2、能实现的高强度、高精度、高表面质量的优越性结合起来。一船认为，若能实现模具强度不低于500MPa，精度不低于0.01mm，表面租糙度值小于Ra20μm，那么该技术便可为工业界所接受并可大面积用于工业生产。目前，可以制得金属钢质硬模的工艺方法有：KeltoolTM法快速制模、间接金属粉末激光烧结成型制模（RapidToolTM）、直接金属粉末激光烧结制模（DirectMetalLaserSintering,DMLS）、激光近成型技术（LaserEngineeredNetShaping,LENSTM）、Expr

3、essToolTM法快速制造镍和铜复合壳模、镍和陶瓷混合物模具制造技术（NCCTooling）、气相沉积镍壳-背衬模、熔模铸造金属模制造工艺、直接金属三维打印制模技术等。模具工程技术研究中心METRCξ6基于快速原型的金属硬模快速制造技术KeltoolTM法快速制模技术由美国3DSystems公司开发成功，后转让给美国Keltool公司。KeltoolTM法制模技术实际上是一种粉末冶金工艺。模具工程技术研究中心METRC一、KeltoolTM法基本原理及工艺流程第一节KeltoolTM法快速制模技术首先以三

4、维CAD软件设计概念原型（包括型腔和型芯）并保存为STL文件，然后将STL格式文件传送至快速原型系统来制造原始原型；然后利用原始原型制得硅橡胶软模；接下来在真空无压状态下向硅橡胶软模内浇注由两种不同成分，不同粒径组成的双形态混合金属粉末与有机树脂粘结剂按一定比例组成的混合物，固化原型后制得待烧结坯；然后将待烧结坯放置于有氢气气氛的烧结炉内进行烧结，在烧结过程的低温阶段，粘结剂被烧除并由流动的氢气带走；再继续升温烧结，将纯金属粉末烧结在一起，从而制得孔隙分布均匀的骨架状坯体；最后，向骨架状坯体中渗入另一种金属

5、（一般为铜），使之成为完全致密的金属模具。由此工艺所制得ξ6基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心METRC的金属钢质硬模一般为70%的双形态混合金属和30%的铜，其硬度可以因双形态混合金属的成分不同而不同。比如由A6模钢粉末及碳化钨粉末组成的双形态混合铁粉作为基体并经过渗铜致密和热处理后得到的钢质硬模，硬度可达46-50Rc。ξ6基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心METRCξ6基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心METRC二、KeltoolTM法的工艺特点Kelt

6、oolTM法快速制模一般使用以WC粉末和A6工具钢粉末组成的双形态混合粉末为基体材料，上述这种双形态混合粉末中，精细研磨的WC颗粒，直径约为1-4μm（平均有效粒径为2.5μm），一般为多边形或粒状；A6工具钢粉末直径为20-38μm（平均有效粒径为27μm）。与简单地采用单一形态的粉末相比，这种双形态混合颗粒的优点如下：①粗细粒径比大于7，因此双形态包的密度高得多。②精细的WC颗粒能填充较大A6工具钢颗粒之间的空隙。③粘结剂的密度小的多，在还原炉中需要去除的粘结剂较少。④烧结过程中平均收缩率较小，提高精度

7、。⑤充分发挥了各组分的特点，比如粒径较小的WC颗粒能提高表面光洁度，且能改善镶块的耐磨性，粒径较大的A6工具钢颗粒则可以提供良好的韧性。ξ6基于快速原型的硬模快速制造技术模具工程技术研究中心METRC该工艺的主要优点：①以KeltoolTM制成的耐用钢模材料为70%A6工具钢粉末及碳化钨和30%铜，A6模钢有良好的抗磨和低扭曲性，而碳化钨的硬度和耐久性极佳，铜原料则能够提高强度和导热率。②其硬度为30-34Rc，热处理后为46-50Rc，具有非常好的模具寿命，可达1百万件以上。③工艺流程简单，制作快速。④只

8、要温度控制精确，可以将烧结和渗铜连续进行，节约成本，缩短制作时间，而且减少因温度变化而引起的收缩和变形。该工艺的主要缺点：①所需材料要求粒度较细，且对粘结剂的粘结性、流动性、固化性等性能有很严格的要求。②所用母模（模具负型）没有足够的强度和硬度，故成形的模具精度不够高。③模具生产周期较长，平均为4周，其中制作型芯件需要8~10天，而且型芯件的尺寸较小，一般在152mm×203mm×101mm以下。ξ6基于快速原型