增材制造给模具加工带来的改变

作者:魏青松,周燕,季先泰,文世峰,史玉升 文章来源:华中科技大学材料科学与工程学院,材料成形与模具技术国家重点实验室 点击数:425 发布时间:2017-05-26
模具是基础工艺装备,汽车、数码等支柱产业中60%~80%的零部件靠模具成形。模具制造工艺直接影响其使用效益,其中冷却系统对模具寿命、生产效率和产品质量至关重要。
增材制造给模具加工带来的改变

模具是基础工艺装备,汽车、数码等支柱产业中60%~80%的零部件靠模具成形。模具制造工艺直接影响其使用效益,其中冷却系统对模具寿命、生产效率和产品质量至关重要。现有冷却系统一般由直孔水道构成,其形状无法均匀贴近型腔表面,易造成冷却不均且效率低,有些结构(如高长径比镶块)甚至无法加工水道。随型腔结构变化的随形冷却水道可极大地提升冷却效率和均匀性,但利用机加工和电火花等传统工艺无法制造。有时为了满足复杂模具高效冷却的需求,往往需加工铜质镶块以满足局部冷却要求,但增加了模具的制造周期和成本。因此,高性能模具制造亟需寻求新的加工方法。

增材制造是20世纪80年代末出现的一种先进制造技术。该技术基于逐层叠加材料的制造原理,将复杂3D零件分解为若干2D制造,可快速制造出任意复杂的结构。20世纪90年代增材制造已经开始应用于模具的快速制造,但主要是间接制造模具。如通过硅胶软模翻模制造模具,间接制造的模具在性能、使用寿命上存在较大局限。随着增材制造技术的发展,使用高能束熔化金属材料可直接制造高性能金属模具。

在金属增材制造工艺种类中,激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺采用高能束光纤激光,能量密度高、光斑细小,在成形微细结构方面最具优势,特别适合复杂模具或镶块的快速制造。华中科技大学快速制造中心团队从2004年开始研究SLM技术及装备,并依托模具技术国家重点实验室重点开展复杂金属模具的SLM材料与工艺研发,在广东科龙模具公司、深圳兆威模具公司、东江模具公司等企业进行了应用验证。研究了420、S136、H13等常用模具材料的优化方法及增材制造工艺,揭示了工艺对组织性能的影响规律,成形出了致密度99%、精度0.1mm、表面粗糙度小于Ra15μm的金属模具或镶块。研究了增材制造模具热处理及精加工工艺,建立了3D打印模具的后加工工艺,在硬度和表面粗糙度上满足模具生产要求。增材制造的模具或镶块应用后,注射和冷却时间明显缩短,传统冷却容易产生的缺陷得到抑制和改善。

然而,增材制造金属模具仍然面临“材料种类少、应力开裂严重和性能一致性差”的突出问题,制约了该项技术在模具领域的大范围应用。因此,未来该领域面临的挑战和发展趋势可归纳为如下几个方面:

1、适合增材制造工艺和模具性能要求的金属材料设计与制备

以S136、H13模具钢为成形材料,需弄清合金关键元素Cr、Mo、V、Si对于增材制造冶金质量及模具性能的影响规律,气雾化制粉等制备工艺对增材制造冶金质量及模具性能的影响规律。

2、基于增材制造工艺的模具随形水道设计规则

需弄清水道截面形状、尺寸及变截面水道等尺寸因素对冷却效果的影响规律,水道空间布置、多路水道并行布置对冷却效果的影响规律,模具随形水道设计规则及计算机辅助设计工具。

3、随形水道-排气通道-致密型体多工艺结构一体化增材制造工艺

除了冷却水道外,模具还包括排气通道和异形浇口等难制造结构,可利用增材制造在复杂结构制造方面的优势,实现区域致密度可调、性能可控的多工艺结构一体化制造。