專利名稱：一種選擇性激光燒結(jié)快速直接制造注塑模具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進快速制造領(lǐng)域，具體涉及一種選擇性激光燒結(jié)快速直接制造注塑模具的方法。
背景技術(shù)：
模具技術(shù)是當今制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，隨著汽車、家電行業(yè)的飛速發(fā)展，注塑模具在整個模具行業(yè)的比重日益增大。傳統(tǒng)的注塑模具主要是通過車、銑、刨、鉆、磨、電蝕等機加工方法制得，鉆削式冷卻水道難于與注塑件的主輪廓共形，冷卻效率低，易導致注塑過程中塑料的各部分冷卻不均，引起工件翹曲變形，而且加工周期長、費用高，尤其是對于一些形狀復雜的零件，模具的制造成為制約我國制造業(yè)快速發(fā)展的瓶頸?？焖俪尚渭夹g(shù)(RapidPrototyping，RP)為實現(xiàn)模具制造的短周期、高效率、低成本提供了一條捷徑。RP技術(shù)諸方法中能夠直接制作金屬模具的是選擇性激光燒結(jié)法(SLS)。
選擇性激光燒結(jié)用固體粉末作為成形材料，借助計算機、激光、精密傳動和數(shù)控等現(xiàn)代手段，根據(jù)在計算機上構(gòu)造的三維模型，逐層掃描燒結(jié)，最終形成所需的原型或零件。該法具有成形材料廣，制造過程不受零件復雜程度限制，制造效率高、成本低的特點，特別適合用來制造具有隨形冷卻水道的模具。
目前國內(nèi)外對SLS法快速制模展開了廣泛研究，主要有兩種方法。第一種是采用包覆有高聚物粘合劑的金屬粉，直接燒結(jié)出模具毛坯，經(jīng)脫脂、二次燒結(jié)，然后經(jīng)滲金屬或環(huán)氧樹脂等后處理和必要的精整加工后，獲得機械性能、表面粗糙度達到技術(shù)要求的模具。該法以美國DTM公司為代表，所用金屬粉末有鐵銅復合粉，RapidSteel 1.0，RapidSteel 2.0，LaserForm ST-100，LaserFormST-200等，其制造的注塑模強度可達587MPa，用這種方法制造的鋼銅合金注塑模壽命可達5萬件以上，但此法后處理工藝復雜，在燒結(jié)、滲銅過程中材料發(fā)生較大收縮且不易控制，故難以快速得到高精度的模具。該法目前所用材料都是金屬覆膜粉，而這種方法需對被覆膜金屬進行包括清洗油脂、氧化物以及潤濕的表面處理，然后制備包覆溶液跟表面處理后的金屬粉末混合、烘干，再經(jīng)粉碎等工序制得。第二種是以德國EOS公司為代表的DMLS(Direct MetalLaser Sintering)法，即不用中間粘結(jié)劑而直接燒結(jié)金屬從而直接制造金屬模具的技術(shù)，所用材料有Direct Metal100，Direct Metal 50，Direct Metal 20，DirectSteel150，Direct Steel120等，其制造的注塑模具強度可達491MPa，該方法工藝簡單，但成形過程很難控制，精度較低而且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種選擇性激光燒結(jié)快速直接制造注塑模具的方法，該方法具有簡單易行和成形精度高的優(yōu)點。
本發(fā)明提供的一種選擇性激光燒結(jié)快速直接制造注塑模具的方法，其步驟包括(1)采用三維造型軟件設(shè)計出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLS快速成形機；(2)在選擇性激光燒結(jié)機的粉床上鋪一層聚酰胺和銅的復合粉末，其中，銅粉粒度為-200～-400目，銅粉與聚酰胺粉末的質(zhì)量比為2∶1～7∶1；(3)激光束在所選區(qū)域內(nèi)進行掃描燒結(jié)，激光功率為12～25W，激光光斑為10～250μm，掃描間距為0.04～0.1mm，掃描速度為1000～3000mm/s，單層厚度為70～150μm；(4)重復上述步驟(2)和(3)，直至形成完整的注塑模具鑲塊；(5)采用環(huán)氧樹脂或丙烯酸固化體系對上述注塑模具鑲塊進行表面涂覆；(6)進行表面拋光。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)工序復雜的問題，采用本發(fā)明方法成形后只需簡單的表面加工，省去了復雜的浸漬、燒結(jié)等工序。此外，本發(fā)明方法無需脫脂、預燒結(jié)，直接采用環(huán)氧樹脂或丙烯酸固化體系將SLS制件表面進行涂覆，以防表面多孔結(jié)構(gòu)使注塑材料粘結(jié)在上面造成脫模困難及冷卻水道滲漏。本發(fā)明具有工藝簡單，加工周期短，成本低的特點，尤其適用于小批量塑料件的試制、測試及生產(chǎn)。本發(fā)明方法所用的燒結(jié)材料燒結(jié)性能好，強度高，有助于實現(xiàn)選擇性激光燒結(jié)直接快速制模，拓寬了激光燒結(jié)技術(shù)的成形粉末的范圍，在快速成形領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明方法制得的產(chǎn)品尤其適用于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的共聚物(ABS)、聚碳酸酯與ABS的共混物(PC/ABS)及其他塑料的小批量注塑。
具體實施例方式
本發(fā)明的實質(zhì)是基于選擇性激光燒結(jié)的直接快速制模方法，應(yīng)用聚酰胺材料的結(jié)晶性和高強度及銅的高導熱性而制造小批量生產(chǎn)用注塑模具。該復合粉末的制備工藝簡單易行，成形工藝免去了間接制模復雜的后處理工序，避免了后處理過程中零件的收縮，保證了成形精度，可以成形具有隨行冷卻水道的注塑模具。
下面結(jié)合具體實例對本發(fā)明的步驟作進一步詳細的說明。
實例1(1)采用三維造型軟件設(shè)計出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLS快速成形機。
(3)在選擇性激光燒結(jié)機的粉床底部鋪一層原料粉末材料，采用CO2或YAG激光器在所選區(qū)域內(nèi)借助精確切片層面信息引導的激光束進行掃描燒結(jié)，在激光照射的位置上，粉末材料被燒結(jié)在一起，一層燒結(jié)完成后，工作臺下降一個截面層的高度，再進行下一層鋪粉、燒結(jié)，新的一層和前一層自然的燒結(jié)在一起，激光光斑直徑取100μm，掃描間距取0.1mm，掃描速度取1500mm/s，激光功率15W，單層厚度取100μm，對復合粉末進行掃描。
原料粉末采用聚酰胺/銅復合材料，其中，銅粉粒度為-300目，銅粉與聚酰胺粉末的質(zhì)量比為3∶1。
(3)重復上述步驟(2)，直至形成完整的注塑模具鑲塊。
(4)采用環(huán)氧樹脂或丙烯酸固化體系將SLS制件進行表面涂覆，并固化，然后用砂紙打磨至要求的光潔度。
(5)最后，對得到的注塑模具鑲塊進行適當?shù)臋C加工，使其幾何尺寸和形狀完全滿足實用要求。
實例2(1)采用三維造型軟件設(shè)計出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLS快速成形機。
(2)在選擇性激光燒結(jié)機的粉床底部鋪一層原料粉末，采用CO2或YAG激光器在所選區(qū)域內(nèi)借助精確切片層面信息引導的激光束進行掃描燒結(jié)，在激光照射的位置上，粉末材料被燒結(jié)在一起，一層燒結(jié)完成后，工作臺下降一個截面層的高度，再進行下一層鋪粉、燒結(jié)，新的一層和前一層自然的燒結(jié)在一起，激光光斑直徑取100μm，掃描間距取0.1mm，掃描速度取2000mm/s，激光功率20W，單層厚度取80μm。
原料粉末為聚酰胺/銅復合材料，銅粉粒度為-300目，銅粉與聚酰胺粉末的質(zhì)量比為5∶1。
(3)重復上述步驟(2)，直至形成完整的注塑模具鑲塊。
(4)采用環(huán)氧樹脂或丙烯酸固化體系將SLS制件進行表面密封，以防表面多孔結(jié)構(gòu)使注塑材料粘結(jié)在上面造成脫模困難及冷卻水道滲漏。然后用砂紙打磨至要求的光潔度。
(5)最后，對得到的注塑模具鑲塊進行適當?shù)臋C加工，使其幾何尺寸和形狀完全滿足實用要求。
實例3
(1)采用三維造型軟件設(shè)計出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLS快速成形機。
(2)在選擇性激光燒結(jié)機的粉床底部鋪一層粉末材料，采用CO2或YAG激光器在所選區(qū)域內(nèi)借助精確切片層面信息引導的激光束進行掃描燒結(jié)，在激光照射的位置上，粉末材料被燒結(jié)在一起，一層燒結(jié)完成后，工作臺下降一個截面層的高度，再進行下一層鋪粉、燒結(jié)，新的一層和前一層自然的燒結(jié)在一起，激光光斑直徑取100μm，掃描間距取0.1mm，掃描速度取3000mm/s，激光功率25W。
所用原料為聚酰胺/銅復合材料，銅粉粒度為-300目，銅粉與聚酰胺粉末的質(zhì)量比為7∶1。
(3)重復上述步驟(2)，直至形成完整的注塑模具鑲塊。
(4)采用環(huán)氧樹脂或丙烯酸固化體系將SLS制件進行表面涂覆，然后用砂紙打磨至要求的光潔度。
(5)最后，對得到的注塑模具鑲塊進行適當?shù)臋C加工，使其幾何尺寸和形狀完全滿足實用要求。
上述聚酰胺/銅復合材料均可以采用溶劑沉淀法制得。以乙醇-水溶液為混合溶劑，將聚酰胺粒料、銅粉、溶劑投入帶夾套的不銹鋼的壓力釜中，利用夾套中的加熱油進行加熱，緩慢升溫至150℃左右，保溫7h～9h，劇烈攪拌，以一定的速度冷卻，得到粉末懸浮液。通過真空抽濾和減壓回收，對已冷卻的懸浮液進行固-液分離。所得固態(tài)物即為覆裹了聚酰胺的銅聚集體，聚集體經(jīng)真空干燥后，研磨、過篩，即可得到粒徑在100μm以下、具有適宜粒度分布的聚酰胺/銅復合粉末。
權(quán)利要求
1.一種選擇性激光燒結(jié)快速直接制造注塑模具的方法，其步驟包括(1)采用三維造型軟件設(shè)計出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLS快速成形機；(2)在選擇性激光燒結(jié)機的粉床上鋪一層聚酰胺和銅的復合粉末，其中，銅粉粒度為-200～-400目，銅粉與聚酰胺粉末的質(zhì)量比為2∶1～7∶1；(3)激光束在所選區(qū)域內(nèi)進行掃描燒結(jié)，激光功率為15～25W，激光光斑為10～250μm，掃描間距為0.04～0.1mm，掃描速度為1000～3000mm/s，單層厚度為70～150μm；(4)重復上述步驟(2)和(3)，直至形成完整的注塑模具鑲塊；(5)采用環(huán)氧樹脂或丙烯酸固化體系對上述注塑模具鑲塊進行表面涂覆；(6)進行表面拋光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種選擇性激光燒結(jié)快速直接制造注塑模具的方法，步驟包括①采用三維造型軟件設(shè)計出零件CAD三維模型，然后由切片軟件處理后保存為STL文件，將STL文件的數(shù)據(jù)信息輸送到SLS快速成形機；②在選擇性激光燒結(jié)機的粉床上鋪一層聚酰胺和銅的復合粉末，銅粉粒度為－200～－400目，銅粉與聚酰胺粉末的質(zhì)量比為2∶1～7∶1；③激光束在所選區(qū)域內(nèi)進行掃描燒結(jié)，激光光斑為10～250μm，掃描間距為0.04～0.1mm，掃描速度為1000～3000mm/s，單層厚度為70～150μm；④重復上述步驟②和③，直至形成完整的注塑模具鑲塊；⑤采用環(huán)氧樹脂或丙烯酸固化體系將上述功能件進行表面涂覆；⑥進行表面拋光。本發(fā)明具有工藝簡單，加工周期短，成本低的特點，所得注塑模具尤其適用于小批量塑料件的試制、測試及生產(chǎn)。
文檔編號G05B19/18GK1970202SQ20061012538
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者史玉升, 黃樹槐, 郭婷, 劉錦輝, 徐文武, 程迪 申請人:華中科技大學