金屬激光燒結(jié)技術(shù)DMLS在模具上的應(yīng)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(shí)燒結(jié)固化粉末金屬材料并自動(dòng)地層層堆疊以生成致密的幾何形狀的實(shí)體零件,。這種零件制造工藝又叫作直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)Direct Metal Laser-Sintering（DMLS）,。通過選用不同的燒結(jié)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(qiáng)度優(yōu)于鑄造或鍛造）,。這種離散法制造技術(shù)甚至實(shí)現(xiàn)直接制造出非常復(fù)雜的零件,，避免了用銑削和放電加工，為設(shè)計(jì)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(yīng)用。EOSINT M是在歐洲開發(fā)DMLS技術(shù)最領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域。這項(xiàng)應(yīng)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(shí)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(duì)軟的材料適用這種技術(shù)，所以大部分塑料樣品模具都是這樣制做,，而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,，應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展到了適用于塑料、金屬壓鑄和沖壓等各種量產(chǎn)模具,。應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)不僅僅是周期短,，而且使模具設(shè)計(jì)師把心思集中在如何建構(gòu)最佳的幾何造型，而不用考慮加工的可行性與否,。結(jié)合運(yùn)用CAD和CAE技術(shù),，可以制造出包任意冷卻水路的模具結(jié)構(gòu)，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(duì)于關(guān)鍵的模具配件,，如圖1右b為對(duì)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(jié)構(gòu)
下面就主要以DMLS的在模具方面的應(yīng)用實(shí)例特別是針對(duì)塑料模具的快速開發(fā)來展開研討,！
2 應(yīng)用快速模具的原因和實(shí)例
2.1 快速模具在制造中節(jié)省時(shí)間和成本
模具制造一般是代價(jià)很高且耗費(fèi)時(shí)間的一項(xiàng)活動(dòng)，包含許多步驟,，也需要許多昂貴的設(shè)備和專業(yè)人員,。傳統(tǒng)的方法，即使加工一個(gè)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(cè)）的型腔和后模（即頂出側(cè)）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(jìn)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(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行EDM電腐蝕加工,。復(fù)雜一些的產(chǎn)品的模具還有滑塊,，活動(dòng)鑲件及其它機(jī)構(gòu)，生產(chǎn)這類更復(fù)雜的模具因此也就更費(fèi)時(shí)費(fèi)力,。所以為了降低成本和時(shí)間就有采用DMLS快速模具的動(dòng)機(jī),。DMLS能在各種狀況下替換代價(jià)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(shí)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(jī)后就能直接開機(jī)生產(chǎn),。這樣從項(xiàng)目啟動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)周內(nèi)全部完成,，包括一副因?yàn)榭蛻粼O(shè)變?cè)�因造成�?個(gè)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(bǔ)正。這樣的實(shí)際所用6個(gè)工作周比原來因?yàn)槟＞吖��?yīng)商采用傳統(tǒng)加工方式的交貨時(shí)間16個(gè)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(shù)難題
在其它情況下快速模具也適用于生產(chǎn)高度復(fù)雜的模具,，包含多種極其復(fù)雜的曲面及結(jié)構(gòu)，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(jī)面板的模芯,，b中和c右為復(fù)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(jī)加工會(huì)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(shí)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?jiǎng)訖C(jī)是用DMLS獨(dú)一無二的特點(diǎn)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(dāng)然在大多情況下這包括時(shí)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(diǎn)的浪費(fèi)都會(huì)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(bào)廢率,，其結(jié)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(shè)計(jì)必須是直通型式的組合,，在不與型腔面和頂針及其它結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)者的想象空間,，理想的冷卻水路是與模具形狀相適應(yīng)的,，保證模溫均勻和冷卻效果。當(dāng)水路設(shè)計(jì)能匹配模具的幾何造型時(shí),，我們就稱之為“隨形冷卻”,。
下圖5為一個(gè)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(shí)了水路優(yōu)化的好處，在圖5中,，由PEP所做的理論和實(shí)際生產(chǎn)中,，將模具溫度降低20度，同時(shí)生產(chǎn)周期也降低了20秒,。LBC的一個(gè)報(bào)告指出,，當(dāng)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(xiàng)目是隨形冷卻結(jié)合最新模具技術(shù)運(yùn)用的又一個(gè)例子：這是一個(gè)高爾夫贈(zèng)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(jié)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(jié)合最新模具技術(shù)運(yùn)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(shí)際模腔剖切圖,。
這種結(jié)合了排氣槽和冷卻水路的模具的實(shí)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(xì)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(dāng)?shù)男∠喈?dāng)?shù)鼐o湊,，因此也節(jié)省了時(shí)間和成本。8個(gè)這樣的模仁組成一副4腔的模具,，達(dá)到生產(chǎn)2000萬的需求,，而這副4腔模具僅僅只需要50小時(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn),。一個(gè)簡單的方法了制造模具的型芯（或稱模仁）再裝入標(biāo)準(zhǔn)的模框或模板中,，模板通常用傳統(tǒng)機(jī)床來加工,，這樣做是很實(shí)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(jī),，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(jī)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(yīng)用,。例如像手機(jī)的一件外彀就帶有一半復(fù)雜的型芯型狀（內(nèi)部結(jié)構(gòu)），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(duì)于一些相對(duì)很復(fù)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(fù)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(huì)造成任何品質(zhì)上的犧牲。b中為一個(gè)從后模頂出結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jì)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(dá)到所要的表面紋理,。
DMLS也常用于模具的設(shè)計(jì)變更或?qū)�損毀零件的修復(fù)上。
5．使用材料和應(yīng)用策略
各種的金屬材質(zhì)對(duì)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(guān)應(yīng)用于量產(chǎn)模具的是高等級(jí)高強(qiáng)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(jī)臺(tái)中金屬粉末材料被熔融燒結(jié)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(shí)）達(dá)到53～55HRC,，抗拉強(qiáng)度超過1900 MPa的材質(zhì)結(jié)構(gòu),。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(qiáng)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(diǎn)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(yīng)用非常普遍,。生產(chǎn)局部特殊結(jié)構(gòu)例如需要疏松透氣的零件,，調(diào)校激光燒結(jié)的工藝參數(shù)可以極快地完成零件制做，同時(shí)表層也保持高度致密的結(jié)構(gòu),。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(gè)金屬板的基礎(chǔ)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(jié)到基座金屬板上,下圖9 左a所示是多個(gè)模仁鑲件如何加工并到一個(gè)基板上的例子.單個(gè)的鑲件由鋸或線切割切出來,中b展示了長部件與相應(yīng)基板. 當(dāng)如果不是很方便將排布有有較稀或間隔的許多冷卻針結(jié)合到基板上,那就需要用DMLS建立過后可以去掉的支撐結(jié)構(gòu)如圖右c.

圖9 利用DMLS直接將型腔熔融燒結(jié)到基座金屬板上
中b說明多長的（305MM長的桿）零件在EOSINT M機(jī)器上為了節(jié)省時(shí)間可以用躺著來加工,。右c說明一系列標(biāo)準(zhǔn)的冷卻針鑲件可以在EOSINT M機(jī)器上一起加工出來，200根冷卻鑲針用了30個(gè)小時(shí)全自動(dòng)地加工完成(過程中無人操作),。這種高效和實(shí)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(duì)于后工序來說就容易使用了，零件的側(cè)面或幾何平直規(guī)則,�,？梢栽谝恍���(fù)雜或反復(fù)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(jī)器上使用Erowa裝夾系統(tǒng)的例子：a左為EOSINT M機(jī)器夾頭,，b中為卡盤夾栓，c右為夾頭卡盤裝配位置,。

圖10 在EOSINT M機(jī)器上使用Erowa裝夾系統(tǒng)
這樣一種基于采用Erowa150裝夾工具的EOSINT M系統(tǒng)是非常實(shí)用的.特別是在模具工場有這樣的系統(tǒng)很有用,。根椐用戶特殊的需求和希望，而采用不同的配置方案,比如包含的軟件可以很容易使機(jī)器與零件的座標(biāo)定位,。
6 結(jié)束語
上面的例子及主要內(nèi)容正是發(fā)表在EOSINT M用戶刊物上一篇有關(guān)DMLS技術(shù)在模具行業(yè)廣泛應(yīng)用的精選片斷,。這種新的工藝是快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展而來的,，從最初應(yīng)用于塑料產(chǎn)品逐步發(fā)展到應(yīng)用于各種模具,。最近幾年來的應(yīng)用從樣品模具到量產(chǎn)模具再到復(fù)雜模具，在國外已經(jīng)建立起了這種工藝彌補(bǔ)CNC和EDM加工不足的的通用加工模式,，使傳統(tǒng)制造加工耗時(shí)費(fèi)力的制程得到大大改善,，這也是它在逐步應(yīng)用并很受歡迎的一大亮點(diǎn)。