CN1970202A - 一种选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法，步骤包括①采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLS快速成形机；②在选择性激光烧结机的粉床上铺一层聚酰胺和铜的复合粉末，铜粉粒度为－200～－400目，铜粉与聚酰胺粉末的质量比为2∶1～7∶1；③激光束在所选区域内进行扫描烧结，激光光斑为10～250μm，扫描间距为0.04～0.1mm，扫描速度为1000～3000mm/s，单层厚度为70～150μm；④重复上述步骤②和③，直至形成完整的注塑模具镶块；⑤采用环氧树脂或丙烯酸固化体系将上述功能件进行表面涂覆；⑥进行表面抛光。本发明具有工艺简单，加工周期短，成本低的特点，所得注塑模具尤其适用于小批量塑料件的试制、测试及生产。
Description
技术领域
本发明属于先进快速制造领域，具体涉及一种选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法。
技术背景
模具技术是当今制造业中应用最广泛的技术之一，随着汽车、家电行业的飞速发展，注塑模具在整个模具行业的比重日益增大。传统的注塑模具主要是通过车、铣、刨、钻、磨、电蚀等机加工方法制得，钻削式冷却水道难于与注塑件的主轮廓共形，冷却效率低，易导致注塑过程中塑料的各部分冷却不均，引起工件翘曲变形，而且加工周期长、费用高，尤其是对于一些形状复杂的零件，模具的制造成为制约我国制造业快速发展的瓶颈。快速成形技术(RapidPrototyping，RP)为实现模具制造的短周期、高效率、低成本提供了一条捷径。RP技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法(SLS)。
选择性激光烧结用固体粉末作为成形材料，借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，根据在计算机上构造的三维模型，逐层扫描烧结，最终形成所需的原型或零件。该法具有成形材料广，制造过程不受零件复杂程度限制，制造效率高、成本低的特点，特别适合用来制造具有随形冷却水道的模具。
目前国内外对SLS法快速制模展开了广泛研究，主要有两种方法。第一种是采用包覆有高聚物粘合剂的金属粉，直接烧结出模具毛坯，经脱脂、二次烧结，然后经渗金属或环氧树脂等后处理和必要的精整加工后，获得机械性能、表面粗糙度达到技术要求的模具。该法以美国DTM公司为代表，所用金属粉末有铁铜复合粉，RapidSteel 1.0，RapidSteel 2.0，LaserForm ST-100，LaserFormST-200等，其制造的注塑模强度可达587MPa，用这种方法制造的钢铜合金注塑模寿命可达5万件以上，但此法后处理工艺复杂，在烧结、渗铜过程中材料发生较大收缩且不易控制，故难以快速得到高精度的模具。该法目前所用材料都是金属覆膜粉，而这种方法需对被覆膜金属进行包括清洗油脂、氧化物以及润湿的表面处理，然后制备包覆溶液跟表面处理后的金属粉末混合、烘干，再经粉碎等工序制得。第二种是以德国EOS公司为代表的DMLS(Direct MetalLaser Sintering)法，即不用中间粘结剂而直接烧结金属从而直接制造金属模具的技术，所用材料有Direct Metal100，Direct Metal 50，Direct Metal 20，DirectSteel150，Direct Steel120等，其制造的注塑模具强度可达491MPa，该方法工艺简单，但成形过程很难控制，精度较低而且成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法，该方法具有简单易行和成形精度高的优点。
本发明提供的一种选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法，其步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLS快速成形机；
(2)在选择性激光烧结机的粉床上铺一层聚酰胺和铜的复合粉末，其中，铜粉粒度为-200～-400目，铜粉与聚酰胺粉末的质量比为2∶1～7∶1；
(3)激光束在所选区域内进行扫描烧结，激光功率为12～25W，激光光斑为10～250μm，扫描间距为0.04～0.1mm，扫描速度为1000～3000mm/s，单层厚度为70～150μm；
(4)重复上述步骤(2)和(3)，直至形成完整的注塑模具镶块；
(5)采用环氧树脂或丙烯酸固化体系对上述注塑模具镶块进行表面涂覆；
(6)进行表面抛光。
本发明克服了现有技术工序复杂的问题，采用本发明方法成形后只需简单的表面加工，省去了复杂的浸渍、烧结等工序。此外，本发明方法无需脱脂、预烧结，直接采用环氧树脂或丙烯酸固化体系将SLS制件表面进行涂覆，以防表面多孔结构使注塑材料粘结在上面造成脱模困难及冷却水道渗漏。本发明具有工艺简单，加工周期短，成本低的特点，尤其适用于小批量塑料件的试制、测试及生产。本发明方法所用的烧结材料烧结性能好，强度高，有助于实现选择性激光烧结直接快速制模，拓宽了激光烧结技术的成形粉末的范围，在快速成形领域具有广泛的应用前景。本发明方法制得的产品尤其适用于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的共聚物(ABS)、聚碳酸酯与ABS的共混物(PC/ABS)及其他塑料的小批量注塑。
具体实施方式
本发明的实质是基于选择性激光烧结的直接快速制模方法，应用聚酰胺材料的结晶性和高强度及铜的高导热性而制造小批量生产用注塑模具。该复合粉末的制备工艺简单易行，成形工艺免去了间接制模复杂的后处理工序，避免了后处理过程中零件的收缩，保证了成形精度，可以成形具有随行冷却水道的注塑模具。
下面结合具体实例对本发明的步骤作进一步详细的说明。
实例1
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLS快速成形机。
(3)在选择性激光烧结机的粉床底部铺一层原料粉末材料，采用CO2或YAG激光器在所选区域内借助精确切片层面信息引导的激光束进行扫描烧结，在激光照射的位置上，粉末材料被烧结在一起，一层烧结完成后，工作台下降一个截面层的高度，再进行下一层铺粉、烧结，新的一层和前一层自然的烧结在一起，激光光斑直径取100μm，扫描间距取0.1mm，扫描速度取1500mm/s，激光功率15W，单层厚度取100μm，对复合粉末进行扫描。
原料粉末采用聚酰胺/铜复合材料，其中，铜粉粒度为-300目，铜粉与聚酰胺粉末的质量比为3∶1。
(3)重复上述步骤(2)，直至形成完整的注塑模具镶块。
(4)采用环氧树脂或丙烯酸固化体系将SLS制件进行表面涂覆，并固化，然后用砂纸打磨至要求的光洁度。
(5)最后，对得到的注塑模具镶块进行适当的机加工，使其几何尺寸和形状完全满足实用要求。
实例2
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLS快速成形机。
(2)在选择性激光烧结机的粉床底部铺一层原料粉末，采用CO2或YAG激光器在所选区域内借助精确切片层面信息引导的激光束进行扫描烧结，在激光照射的位置上，粉末材料被烧结在一起，一层烧结完成后，工作台下降一个截面层的高度，再进行下一层铺粉、烧结，新的一层和前一层自然的烧结在一起，激光光斑直径取100μm，扫描间距取0.1mm，扫描速度取2000mm/s，激光功率20W，单层厚度取80μm。
原料粉末为聚酰胺/铜复合材料，铜粉粒度为-300目，铜粉与聚酰胺粉末的质量比为5∶1。
(3)重复上述步骤(2)，直至形成完整的注塑模具镶块。
(4)采用环氧树脂或丙烯酸固化体系将SLS制件进行表面密封，以防表面多孔结构使注塑材料粘结在上面造成脱模困难及冷却水道渗漏。然后用砂纸打磨至要求的光洁度。
(5)最后，对得到的注塑模具镶块进行适当的机加工，使其几何尺寸和形状完全满足实用要求。
实例3
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLS快速成形机。
(2)在选择性激光烧结机的粉床底部铺一层粉末材料，采用CO2或YAG激光器在所选区域内借助精确切片层面信息引导的激光束进行扫描烧结，在激光照射的位置上，粉末材料被烧结在一起，一层烧结完成后，工作台下降一个截面层的高度，再进行下一层铺粉、烧结，新的一层和前一层自然的烧结在一起，激光光斑直径取100μm，扫描间距取0.1mm，扫描速度取3000mm/s，激光功率25W。
所用原料为聚酰胺/铜复合材料，铜粉粒度为-300目，铜粉与聚酰胺粉末的质量比为7∶1。
(3)重复上述步骤(2)，直至形成完整的注塑模具镶块。
(4)采用环氧树脂或丙烯酸固化体系将SLS制件进行表面涂覆，然后用砂纸打磨至要求的光洁度。
(5)最后，对得到的注塑模具镶块进行适当的机加工，使其几何尺寸和形状完全满足实用要求。
上述聚酰胺/铜复合材料均可以采用溶剂沉淀法制得。以乙醇-水溶液为混合溶剂，将聚酰胺粒料、铜粉、溶剂投入带夹套的不锈钢的压力釜中，利用夹套中的加热油进行加热，缓慢升温至150℃左右，保温7h～9h，剧烈搅拌，以一定的速度冷却，得到粉末悬浮液。通过真空抽滤和减压回收，对已冷却的悬浮液进行固-液分离。所得固态物即为覆裹了聚酰胺的铜聚集体，聚集体经真空干燥后，研磨、过筛，即可得到粒径在100μm以下、具有适宜粒度分布的聚酰胺/铜复合粉末。
Claims (1)
1、一种选择性激光烧结快速直接制造注塑模具的方法，其步骤包括：
(1)采用三维造型软件设计出零件CAD三维模型，然后由切片软件处理后保存为STL文件，将STL文件的数据信息输送到SLS快速成形机；
(2)在选择性激光烧结机的粉床上铺一层聚酰胺和铜的复合粉末，其中，铜粉粒度为-200～-400目，铜粉与聚酰胺粉末的质量比为2∶1～7∶1；
(3)激光束在所选区域内进行扫描烧结，激光功率为15～25W，激光光斑为10～250μm，扫描间距为0.04～0.1mm，扫描速度为1000～3000mm/s，单层厚度为70～150μm；
(4)重复上述步骤(2)和(3)，直至形成完整的注塑模具镶块；
(5)采用环氧树脂或丙烯酸固化体系对上述注塑模具镶块进行表面涂覆；
(6)进行表面抛光。
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