專利名稱：一種選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及快速制造金屬模具，尤其是涉及一種選區(qū)激光燒結(jié)(Selectivelaser sintering，SLS)快速制造金屬模具的方法。
背景技術(shù)：
隨著市場(chǎng)全球化以及競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)周期短、批量小、更新快，已成為制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，多品種小批量將成為制造業(yè)的重要生產(chǎn)模式。在這種情況下，制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品原型的快速制造和模具的快速制造技術(shù)提出了更高的要求，提出了高效率、高精度、高壽命的三高模具。而金屬模具快速制造技術(shù)的目標(biāo)是直接制造可用于工業(yè)化生產(chǎn)的高精度耐久金屬硬模，其在縮短制造周期、節(jié)能省資源、發(fā)揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潛力，成為21世紀(jì)制造業(yè)最為關(guān)注的制模技術(shù)之一。其中，由于選區(qū)激光燒結(jié)選材廣的特點(diǎn)，利用SLS工藝直接制造金屬模具已成為企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、快速占領(lǐng)市場(chǎng)的重要手段，是目前各國(guó)家研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。
SLS快速制造金屬模具主要有以下三種途徑，一是單一金屬粉末大功率激光燒結(jié)成型，利用高功率激光(1000W以上)對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描燒結(jié)，逐層疊加成型，成型件經(jīng)表面后處理(打磨、精加工)即完成模具制作；二是混合金屬粉末激光燒結(jié)成型，成型粉末為二種或二種以上金屬粉末的混合體，其中的一種熔點(diǎn)較低，起粘結(jié)劑的作用，由于不同熔點(diǎn)的各種金屬收縮量不一致，能相互補(bǔ)償其體積變化，使制件的總收縮量小，并須浸滲后處理；但上述二種方法的金屬粉末在激光作用下要熔化，而由于SLS“急熔速冷”燒結(jié)的特點(diǎn)，在金屬粉末熔融燒結(jié)過(guò)程中存在球化和燒結(jié)收縮現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力使燒結(jié)件易發(fā)生翹曲，燒結(jié)件可能存在一些明顯的燒結(jié)缺陷，致密度也不高，而且所需激光燒結(jié)成型機(jī)激光功率比較大，粉末燒結(jié)過(guò)程中易被氧化，需要惰性氣體保護(hù)，設(shè)備昂貴。三是覆膜金屬粉末或金屬與樹(shù)脂混合粉末激光燒結(jié)成型，通過(guò)低功率激光燒結(jié)得到金屬粘結(jié)實(shí)體，經(jīng)脫脂、高溫?zé)Y(jié)、浸滲低熔點(diǎn)金屬后處理，直接形成金屬模具；但這類粉末激光燒結(jié)件的強(qiáng)度不高，致密度低，燒結(jié)件金屬浸滲后處理容易出現(xiàn)開(kāi)裂、變形及浸滲孔洞缺陷等，特別對(duì)相互潤(rùn)濕性不好的金屬滲透困難，在金屬模具方面仍然存在許多技術(shù)上的困難，其制造模具的力學(xué)性能不高，精度較低，表面質(zhì)量較差，很難將其直接作為最終模具使用，一般只能作為樣件或模具母模使用。特別是目前的鐵系金屬硬?？焖僦圃旒夹g(shù)不成熟、尺寸精度、表面質(zhì)量、綜合機(jī)械性能等方面存在問(wèn)題，離實(shí)用化還有相當(dāng)距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，它能夠快速制備高精度、表面質(zhì)量好的金屬模具。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1)不同顆粒粒徑的金屬粉末配比采用二種或二種以上的不同粒徑的金屬粉末，按不同的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合配比，以提高粉床的鋪粉密度；(2)SLS用金屬成型粉末制備采用常規(guī)物理或化學(xué)改性的方法對(duì)金屬粉末進(jìn)行表面處理，將改性后的金屬粉末和多組元粘接劑及潤(rùn)滑劑按比例均勻混合，得到金屬成型粉末；(3)SLS成型根據(jù)模具成形的要求，設(shè)計(jì)模具的三維CAD(計(jì)算機(jī)計(jì)輔助設(shè)計(jì))模型，并對(duì)三維CAD模型進(jìn)行切片處理，對(duì)上述的金屬成型粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成型；(4)焙燒激光燒結(jié)件在300-800℃有機(jī)粘結(jié)劑完全降解燒失，得到以無(wú)機(jī)粘接劑粘結(jié)的制件；(5)真空壓力浸滲金屬將制件固定在壓力容器中的加熱器內(nèi)，然后在制件周?chē)胖媒B的金屬材料，對(duì)制件和金屬材料進(jìn)行加熱并保持真空狀態(tài)，當(dāng)金屬溫度達(dá)到為300-1000℃后，停止抽真空，繼續(xù)加熱至450-1600℃后，充入壓縮氣體，然后調(diào)節(jié)滲透壓力，就可得到組織致密和高精度的金屬模具。
所述金屬粉末為鐵、鈦、鎳、銅、鋁粉末或其合金粉末的一種。
金屬粉末的粒徑小于250μm，二種或二種以上的不同的粒徑按1∶2-1∶5的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合配比。
所述多組元粘接劑為不同熔點(diǎn)的無(wú)機(jī)粘接劑和有機(jī)粘接劑的混合物。
所述無(wú)機(jī)粘接劑為磷酸二氫銨或磷酸鋁，所述有機(jī)粘接劑為環(huán)氧樹(shù)脂、尼龍、聚苯乙烯粉或聚丙烯粉。
所述潤(rùn)滑劑為硬脂酸鋰、石墨或二硫化鉬。
所述金屬材料為鋅、鋁、鎂、銅、鐵或其合金。
所述壓縮氣體為壓縮空氣、氮?dú)饣驓鍤狻?br> 在SLS用金屬成型粉末制備中還可添加下述填料分散劑和光吸收劑，所述分散劑為滑石粉或白炭黑，所述光吸收劑為炭黑。
激光燒結(jié)成形主要由激光功率、掃描速度、鋪粉層厚、掃描間距、預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)決定。采用SLS制備，具有快速、尺寸精度高、性能好、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。
真空壓力浸滲的特點(diǎn)是金屬液在真空、等溫和壓力條件下滲流，在一定壓力條件下凝固，其具有良好的滲流和凝固條件，可避免氣體和夾雜物的裹入的問(wèn)題，內(nèi)部組織致密；金屬液在真空壓力下滲流，大大提高了熔體的充型能力，滲透時(shí)間短，并消除了氣體的澆注過(guò)程中的有害作用，能獲得形態(tài)復(fù)雜、表面光潔和尺寸精確的金屬制件。這種方法制備的金屬件致密度高，在性能和穩(wěn)定性上能得到有效地保證。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1本實(shí)施例是選區(qū)激光燒結(jié)快速制造精鑄銅模。
(1)不同顆粒粒徑的金屬粉末配比二種平均尺寸13μm和65μm的金屬Cu粉，按1∶2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合配比；(2)SLS用金屬銅成型粉末制備采用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)金屬銅粉進(jìn)行表面改性處理，將改性后的金屬銅粉和6％磷酸二氫氨粉、8％環(huán)氧樹(shù)脂粉、3％硬脂酸鋰粉均勻混合，得到金屬銅成型粉末；(3)SLS成型根據(jù)模具成形的要求，設(shè)計(jì)模具的三維CAD模型，并對(duì)三維CAD模型進(jìn)行切片處理，在激光燒結(jié)工藝參數(shù)為激光功率40W，掃描速度1500mm/s，掃描間距0.1mm，鋪粉層厚0.15mm，預(yù)熱溫度100℃，對(duì)上述金屬銅成型粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成型；(4)焙燒激光燒結(jié)件緩慢加熱至500℃，環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑完全降解燒失，繼續(xù)升溫至700℃焙燒；(5)真空壓力浸滲金屬將焙燒后的制件固定在壓力容器中的加熱器內(nèi)，然后在制件周?chē)胖媒B的鋁合金，對(duì)制件和鋁合金進(jìn)行加熱并保持真空狀態(tài)，真空度小于1KPa，當(dāng)基體金屬溫度達(dá)到為580℃后，停止抽真空，繼續(xù)加熱至750℃后，充入壓縮空氣，空氣壓力為400Kpa，保壓10min，爐冷后取出，經(jīng)細(xì)打磨處理，就可得到組織致密和高精度的精鑄銅模。
實(shí)施例2本實(shí)施例是選區(qū)激光燒結(jié)快速制造注塑鋼模。
(1)不同顆粒粒徑的金屬粉末配比二種平均尺寸20μm和80μm的金屬還原鐵粉，按1∶3質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合配比；(2)SLS用金屬還原鐵成型粉末制備采用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)金屬還原鐵粉進(jìn)行表面改性處理，將改性后的金屬鐵粉和6％磷酸二氫氨粉、5％環(huán)氧樹(shù)脂粉、3％尼龍6粉、3％硬脂酸鋰粉、1％炭黑粉均勻混合，得到金屬鐵成型粉末；(3)SLS成型根據(jù)模具成形的要求，設(shè)計(jì)模具的三維CAD模型，并對(duì)三維CAD模型進(jìn)行切片處理，在激光燒結(jié)工藝參數(shù)為激光功率42.5W，掃描速度1500mm/s，掃描間距0.1mm，鋪粉層厚0.15mm，預(yù)熱溫度105℃，對(duì)上述金屬鐵成型粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成型；(4)焙燒激光燒結(jié)件緩慢加熱至550℃，環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑和尼龍6粘結(jié)劑完全降解燒失；繼續(xù)升溫至700℃焙燒；(5)真空壓力浸滲金屬將焙燒后的制件固定在壓力容器中的加熱器內(nèi)，然后在制件周?chē)胖媒B的銅合金，對(duì)制件和銅合金進(jìn)行加熱并保持真空狀態(tài)，真空度小于500Pa，當(dāng)金屬銅合金溫度達(dá)到為780℃后，停止抽真空，繼續(xù)加熱至1050℃后，充入壓縮氣體，空氣壓力為300Kpa，保壓5min，爐冷后取出，經(jīng)打磨處理，就可得到組織致密和高精度的注塑鋼模。
實(shí)施例3本實(shí)施例是選區(qū)激光燒結(jié)快速制造精鑄鋁模。
(1)不同顆粒粒徑的金屬粉末配比二種平均尺寸10μm和50μm的金屬鋁粉，按1∶4質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合配比；(2)SLS用金屬鋁成型粉末制備采用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)金屬鋁粉進(jìn)行表面改性處理，將改性后的鋁粉和5％磷酸二氫氨粉、8％環(huán)氧樹(shù)脂粉、3％硬脂酸鋰粉、1％炭黑粉均勻混合，得到金屬鋁成型粉末；(3)SLS成型根據(jù)模具成形的要求，設(shè)計(jì)模具的三維CAD模型，并對(duì)三維CAD模型進(jìn)行切片處理，在激光燒結(jié)工藝參數(shù)為激光功率38W，掃描速度1600mm/s，掃描間距0.1mm，鋪粉層厚0.15mm，預(yù)熱溫度95℃，對(duì)上述金屬成型粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成型；(4)焙燒激光燒結(jié)件緩慢加熱至550℃焙燒，環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑完全降解燒失；(5)真空壓力浸滲金屬將焙燒后的制件固定在壓力容器中的加熱器內(nèi)，然后在制件周?chē)胖媒B的低熔點(diǎn)鋅合金，對(duì)制件和鋅合金進(jìn)行加熱并保持真空狀態(tài)，真空度小于100Pa，當(dāng)基體金屬溫度達(dá)到為320℃后，停止抽真空，繼續(xù)加熱至450℃后，充入壓縮氣體，然后調(diào)節(jié)滲透壓力，空氣壓力為300Kpa，保壓5min，爐冷后取出，經(jīng)打磨處理，就可得到組織致密和高精度的精鑄鋁模。
權(quán)利要求
1.一種選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于(1)不同顆粒尺寸的金屬粉末配比，采用二種或二種以上的不同粒徑的金屬粉末，按不同的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合配比，以提高粉床的鋪粉密度；(2)SLS用金屬成型粉末制備采用物理或化學(xué)改性的方法對(duì)金屬粉末進(jìn)行表面處理，將改性后的金屬粉末和多組元粘接劑及潤(rùn)滑劑填料按比例均勻混合，得到金屬成型粉末；(3)SLS成型根據(jù)模具成形的要求，設(shè)計(jì)模具的三維CAD模型，并對(duì)三維CAD模型進(jìn)行切片處理，按一定的燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)金屬成型粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成型；(4)焙燒激光燒結(jié)件在300-800℃有機(jī)粘結(jié)劑完全降解燒失，得到以無(wú)機(jī)粘接劑粘結(jié)的制件；(5)金屬浸滲采用真空壓力浸滲方法，即將制件固定在壓力容器中的加熱器內(nèi)，然后在制件周?chē)胖媒B的金屬材料，對(duì)制件和金屬材料進(jìn)行加熱并保持真空狀態(tài)，當(dāng)金屬溫度達(dá)到為300-1000℃后，停止抽真空，繼續(xù)加熱至450--1600℃后，充入壓縮氣體，然后調(diào)節(jié)滲透壓力，就可得到組織致密和高精度的金屬模具。
2.如權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于所述金屬粉末為鐵、鈦、鎳、銅、鋁粉末或其合金粉末的一種。
3.如權(quán)利要求2所述的選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于金屬粉末的粒徑小于250μm，二種或二種以上的不同的粒徑按1∶2--1∶5的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合配比。
4.如權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于所述的多組元粘接劑為不同熔點(diǎn)的無(wú)機(jī)粘接劑與有機(jī)粘接劑的混合物。
5.如權(quán)利要求4所述的選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)粘接劑為磷酸二氫銨或磷酸鋁，所述常規(guī)有機(jī)粘接劑為環(huán)氧樹(shù)脂、尼龍、聚苯乙烯或聚丙烯。
6.如權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于所述的潤(rùn)滑劑為硬脂酸鋰、石墨或二硫化鉬。
7.如權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于在SLS用金屬成型粉末制備中還可添加下述填料分散劑和光吸收劑，所述分散劑為滑石粉或白炭黑，所述光吸收劑為炭黑。
8.如權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于所述金屬材料為鋅、鋁、鎂、銅、鐵或其合金。
9.如權(quán)利要求1所述的選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其特征在于所述壓縮氣體為壓縮空氣、氮?dú)饣驓鍤狻?br> 全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種選區(qū)激光燒結(jié)快速制造金屬模具的方法，其制備工藝為首先采用二種或二種以上的不同粒徑的金屬粉末，按不同的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)混合配比；再采用物理或化學(xué)改性的方法對(duì)金屬粉末進(jìn)行表面處理，將改性后的金屬粉末、不同熔點(diǎn)的有機(jī)樹(shù)脂與無(wú)機(jī)物組成的多組元粘接劑和潤(rùn)滑劑填料等按比例均勻混合，得到金屬成型粉末，再根據(jù)模具成形的要求，設(shè)計(jì)模具的三維CAD模型，并對(duì)三維CAD模型進(jìn)行切片處理，按一定的燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)金屬成型粉末進(jìn)行選區(qū)激光燒結(jié)成型，激光燒結(jié)件在300－800℃焙燒；最后采用真空壓力浸滲方法浸滲金屬，可得到組織致密、力學(xué)性能和表面質(zhì)量良好的高精度金屬模具，本發(fā)明是一種快速制造高精度、耐久金屬模具的方法。
文檔編號(hào)B22F3/105GK1907602SQ20061002976
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月2日
發(fā)明者徐志鋒, 張堅(jiān), 鄭玉惠, 蔡長(zhǎng)春, 胡美忠 申請(qǐng)人:南昌航空工業(yè)學(xué)院