eosint m 270三維打印機金屬激光燒結技術DMLS在模具上的應用

通過使用高能量的激光束再由3D模型數(shù)據(jù)控制來局部熔化金屬基體同時燒結固化粉末金屬材料并自動地層層堆疊以生成致密的幾何形狀的實體零件。這種零件制造工藝又叫作直接金屬激光燒結技術Direct Metal Laser-Sintering（DMLS）。通過選用不同的燒結材料和調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以生成性能差異變化很大的零件，從具有多孔性的透氣鋼，到耐腐蝕的不銹鋼再到組織致密的模具鋼（強度優(yōu)于鑄造或鍛造）。這種離散法制造技術甚至實現(xiàn)直接制造出非常復雜的零件，避免了用銑削和放電加工，為設計提供了更寬的自由度。

本文以德國EOS公司的EOSINT M系統(tǒng)為例，介紹DMLS在模具方面的應用。EOSINT M是在歐洲開發(fā)DMLS技術最領先的企業(yè)之一，自1995年它的商業(yè)化以來十年里，模具行業(yè)是其主要的應用領域。這項應用作為最常用的一種快速模具方法是由于大幅縮短了產(chǎn)品開發(fā)過程，使樣品模型的制造推出時間變得非常短，所以早期的用戶也把這稱作“樣品模”，也就是說這樣能縮短模具研制周期。早些年只有相對軟的材料適用這種技術，所以大部分塑料樣品模具都是這樣制做，而隨著技術的不斷進步，應用領域也擴展到了適用于塑料、金屬壓鑄和沖壓等各種量產(chǎn)模具。應用這項技術的優(yōu)點不僅僅是周期短，而且使模具設計師把心思集中在如何建構最佳的幾何造型，而不用考慮加工的可行性與否。結合運用CAD和CAE技術，可以制造出包任意冷卻水路的模具結構，如上圖1左a所示為的鑲件上通上水路以減小模具上熱集中最終降低產(chǎn)品收縮變形量；對于關鍵的模具配件，如圖1右b為對熱澆口套上加上冷卻可以降低成型周期，這樣做可以極大地改善品質(zhì)和并大幅降低生產(chǎn)的成本。今天EOSINT M工作系統(tǒng)正用于百萬次的塑膠模具和十萬次的沖壓和鑄造模具。

圖1 冷卻水路的模具結構

下面就主要以DMLS的在模具方面的應用實例特別是針對塑料模具的快速開發(fā)來展開研討！

2 應用快速模具的原因和實例

2.1 快速模具在制造中節(jié)省時間和成本

模具制造一般是代價很高且耗費時間的一項活動，包含許多步驟，也需要許多昂貴的設備和專業(yè)人員。傳統(tǒng)的方法，即使加工一個簡單的只有前后兩半的模具也通常需要CNC銑削和EDM才能加工出來,前模（即注射側）的型腔和后模（即頂出側）的溝槽形狀。銑削可以將原來的六面體毛胚經(jīng)過去除材料，按CNC程序提供的路徑進行粗加工和精加工，最后不能銑削的深槽和尖的內(nèi)角再由CNC所銑出來的電極對相應部位進行EDM電腐蝕加工。復雜一些的產(chǎn)品的模具還有滑塊，活動鑲件及其它機構，生產(chǎn)這類更復雜的模具因此也就更費時費力。所以為了降低成本和時間就有采用DMLS快速模具的動機。DMLS能在各種狀況下替換代價高昂CNC和EDM極大地發(fā)控作用。如下圖2所示是一款PC的LED燈柱的例子：a左為快速模具模仁，b中為注塑模具整體，c右為成型的產(chǎn)品。

圖2 PC的LED燈柱

這是一副比較簡單的多腔模具，然而傳統(tǒng)方式上仍然需要EDM加工。但用EOSINT M 270 system來制做前后模仁總共才花5小時40分，不需要太多的后加工和鉗工修配，僅僅只要噴砂和輕微的手工修磨。前后模在架上注塑機后就能直接開機生產(chǎn)。這樣從項目啟動到開始連續(xù)生產(chǎn)只要僅僅6天。

如下圖3所示是一款汽車上操縱桿部件的模具：a左為快速模具的后模，b中為快速模具整個裝配件，c右為成型的零件及裝配。

圖3 汽車上操縱桿部件的模具

上圖所包含的操縱桿裝配的一些需要生產(chǎn)的零件，大約要5000來裝配，總共包含大約14個PA6.6GF的零件要來開模，采用最少加工量的快速模具來生產(chǎn)，這里邊14副模具和5000套產(chǎn)品在9個周內(nèi)全部完成，包括一副因為客戶設變原因造成的3個周的延期，該圓形的產(chǎn)品而采用非均勻的收縮率而產(chǎn)生模具修改補正。這樣的實際所用6個工作周比原來因為模具供應商采用傳統(tǒng)加工方式的交貨時間16個周要快得多。另外模具成本也降到了一半。

2.2 快速模具在制造中解決技術難題

在其它情況下快速模具也適用于生產(chǎn)高度復雜的模具，包含多種極其復雜的曲面及結構，如下圖4所示是幾類模具的例子：

圖4 幾類模具的例子圖

a左為游戲機面板的模芯，b中和c右為復雜造型的的模芯。

這些都是由快速模具制造而無后加工的例子，包含倒扣的軟膠模具，不用太多的努力就可以很容易地完成制作，而這些倒扣在按傳統(tǒng)機加工會增加許多難度。盡管快速制造的模具和樣品為量產(chǎn)模增加了實現(xiàn)的方式，而這種方法還經(jīng)常用在快速成型樣品和過渡模具（或中間模具）。

3 高性能模具的改善方式

快速模具的主要動機是用DMLS獨一無二的特點來改善模具的性能，也就是說在模具生產(chǎn)以后能夠獲得更好的生產(chǎn)工藝性。當然在大多情況下這包括時間和成本的節(jié)省，特別是量產(chǎn)很大的模具，在工藝環(huán)節(jié)上哪怕有一丁點的浪費都會大幅增加總體成本。如果采用快速模具能優(yōu)化調(diào)節(jié)水路以獲得均勻的理想的模溫和冷卻效果，這在行業(yè)內(nèi)是人人皆知的改善模具質(zhì)量的道理。這樣能縮短生產(chǎn)周期和降低產(chǎn)品變形和尺寸問題引起的報廢率，其結果是降低了成本也提高了生產(chǎn)率。以傳統(tǒng)方式加工水路必須要用鉆孔或線切割等方式，這就限制了水路設計必須是直通型式的組合，在不與型腔面和頂針及其它結構有干涉的情況下一般用深孔鉆來加工。而采用了DMLS，水路的位置和型式就可以極大地發(fā)揮設計者的想象空間，理想的冷卻水路是與模具形狀相適應的，保證模溫均勻和冷卻效果。當水路設計能匹配模具的幾何造型時，我們就稱之為“隨形冷卻”。

下圖5為一個電器外彀模具隨形冷卻的例子：a左為傳統(tǒng)模具的冷卻，b中為可以優(yōu)化的快速模具的冷卻，c右為冷卻分析的模具溫度模擬。

圖5 電器外彀模具隨形冷卻

許多研究和案例都證實了水路優(yōu)化的好處，在圖5中，由PEP所做的理論和實際生產(chǎn)中，將模具溫度降低20度，同時生產(chǎn)周期也降低了20秒。LBC的一個報告指出，當使用快速模具優(yōu)化水路后他們的生產(chǎn)周期降低了60%，廢品率也從50%降低到了0。

下圖6中的項目是隨形冷卻結合最新模具技術運用的又一個例子：這是一個高爾夫贈品球的模具，量大而成本極低。該產(chǎn)品生產(chǎn)工藝為PP擠吹模塑成型結合彈性體的注塑成型。避免球的變形和困氣缺陷并保證圓度是非常重要的，這在吹塑成型中的好的排氣是必須的。

圖6 隨形冷卻結合最新模具技術運用

a左為模腔的隨形冷卻，b中模腔上的排氣（綠色小槽），c右為實際模腔剖切圖。

這種結合了排氣槽和冷卻水路的模具的實現(xiàn)方式，以及選擇DMLS材料及工藝參數(shù)來制造不帶任何外觀痕跡而有微細孔的排氣合金鋼材料模具。它可以使模仁部分的體積做得相當?shù)男∠喈數(shù)鼐o湊，因此也節(jié)省了時間和成本。8個這樣的模仁組成一副4腔的模具，達到生產(chǎn)2000萬的需求，而這副4腔模具僅僅只需要50小時的加工量，由隨形冷卻可以提高20%的生產(chǎn)效率。

4 在模具制造中運用快速模具方法

在上面所提及的這些益處可以由不同的快速模具制造方法來實現(xiàn)。一個簡單的方法了制造模具的型芯（或稱模仁）再裝入標準的�？蚧蚰０逯�，模板通常用傳統(tǒng)機床來加工，這樣做是很實際的，僅需要較少的加工，而將由DMLS制做的模仁直接裝入模架再上注塑機，也就是說不需要太多手工修配，非常方便，如下圖7所示：

圖7 模板的加工

a左為機加工的鋁材質(zhì)模仁及DMLS制做的鑲件，b右為帶有DMLS制做滑塊及其附件的模具。DMLS通常與其它常用的模具加工方法一起組成叫做“混合型”的制造工藝，這樣就有變化多樣的應用。例如像手機的一件外彀就帶有一半復雜的型芯型狀（內(nèi)部結構），另一半是簡單的自由曲面的型腔（可見的外觀）。在型芯模仁上采用DMLS制造而在型腔模仁上用傳統(tǒng)銑削，對于一些相對很復雜的小零件也就用DMLS制造出來再裝配到銑好的模腔中，上圖7左a的鋁模就是這樣的例子。在環(huán)氧樹脂澆鑄模上也可以采用此種類似的方法。就算再復雜再困難的模具零件都可以用DMLS來做,比如在環(huán)氧樹脂澆鑄模中有不足以支持充模壓力的薄壁部分的強度。DMLS材料在模具的各種部件都有多種的用途，比如上圖7右b它可以用來制造滑塊及壓板等，為了防止磨損，相互運動的部件采用不同的DMLS材料，智能模具概念也是從成本效益的目的上來優(yōu)化水路的。

下圖8是也隨形冷卻模具的例子：

圖8 隨形冷卻模具的例子圖

a左為PE吹塑瓶模，由于瓶的頸部壁較厚，傳統(tǒng)的冷卻限制著生產(chǎn)周期和生產(chǎn)率，而采用DMLS工藝制造一個小鑲件來快速冷卻頸部鑲件，這樣就可以使生產(chǎn)周期從15秒降到8或9秒，改善了近70%的生產(chǎn)效率，但不會造成任何品質(zhì)上的犧牲。b中為一個從后模頂出結構上考慮冷卻的鑲件，旨在帶走澆口附近的大量的熱，這樣也降低了三分之二的生產(chǎn)周期。c右為包含了一種螺旋形狀的隨形冷卻的模芯，比較起來模芯相應地在尺寸上也減小了一半。加工這樣較小的零件是很經(jīng)濟的，先放在EOSINT M270系統(tǒng)上加工，膠位頂部留下0.3mm的余量再用傳統(tǒng)拋光等精加工達到所要的表面紋理。

DMLS也常用于模具的設計變更或?qū)�損毀零件的修復上。

5．使用材料和應用策略

各種的金屬材質(zhì)對于在EOSINT M系統(tǒng)上使用都是適合的。新材料不斷地研發(fā)出來，大多數(shù)相關應用于量產(chǎn)模具的是高等級高強度折模具鋼，盡管在市面上這些粉末冶金鋼都有售，但它們還是低于EOS 的MS1鋼。在EOSINT M機臺中金屬粉末材料被熔融燒結生成硬度為36～39 HRC的致密的零件，過后還可熱處理（490度6小時）達到53～55HRC，抗拉強度超過1900 MPa的材質(zhì)結構。以這種方式制做的模具零部件可以像傳統(tǒng)模具鋼材一樣被銑削，電腐蝕和拋光。圖8的中b和右c就是采用這種方法制造的。

萬一需要用到較低強度硬度的模具，用快速速模具通常換一種材料便是，采用專用的銅鎳基合金材料DM20，這種材料的優(yōu)點是非常容易加工及拋光，所以在樣品模和低產(chǎn)量模具上應用非常普遍。生產(chǎn)局部特殊結構例如需要疏松透氣的零件，調(diào)校激光燒結的工藝參數(shù)可以極快地完成零件制做，同時表層也保持高度致密的結構。圖2. 圖4和圖7都是采用這種方法.

其它情況下快速模具也使用各種DMLS材料,例如不銹鋼就能用于有腐蝕性塑膠的模具. EOSINT M系統(tǒng)可以在一個金屬板的基礎上加工零件,這金屬板稱為基座零件.利用DMLS直接將型腔熔融燒結到基座金屬板上,下圖9 左a所示是多個模仁鑲件如何加工并到一個基板上的例子.單個的鑲件由鋸或線切割切出來,中b展示了長部件與相應基板. 當如果不是很方便將排布有有較稀或間隔的許多冷卻針結合到基板上,那就需要用DMLS建立過后可以去掉的支撐結構如圖右c.

圖9 利用DMLS直接將型腔熔融燒結到基座金屬板上

中b說明多長的（305MM長的桿）零件在EOSINT M機器上為了節(jié)省時間可以用躺著來加工。右c說明一系列標準的冷卻針鑲件可以在EOSINT M機器上一起加工出來，200根冷卻鑲針用了30個小時全自動地加工完成(過程中無人操作)。這種高效和實用的方法用于制造量大耐損損耗的圓Pin類模具配件。這些基板上的零件還可以通過線切割高效地分割或切割出來。如果是邊角平直的零件對于后工序來說就容易使用了，零件的側面或幾何平直規(guī)則。可以在一些復雜或反復使用的情況下，這些部位就有利于裝夾定位和操作。

圖10是在EOSINT M機器上使用Erowa裝夾系統(tǒng)的例子：a左為EOSINT M機器夾頭，b中為卡盤夾栓，c右為夾頭卡盤裝配位置。