專利名稱：一種高精度的微金屬模具快速成型制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光快速成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高精度的微金屬模具快速成型制造方法，本發(fā)明主要用于精度要求高的、批量少的微型金屬模具應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著微系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，微型模具的應(yīng)用越來越廣泛，微金屬模具熔點(diǎn)高、硬度高、耐磨性好，因而壽命長，加工成本低，可加工溫度高，特別適合微型零件的制造，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前常用的微型金屬模具的制作方法主要有三類。一是采用MEMS加工工藝與電鑄法相結(jié)合。這些方法都是先制作一個(gè)母版，得到三維微結(jié)構(gòu)，然后在母版上電鑄或電沉積一層厚度在幾十到幾百微米的金屬(通常是Ni)，從而得到金屬微模具。采用這兩種方法制作出來的模具表面質(zhì)量好、精度高，但是由于金屬層的厚度有限，因而三維加工能量有限， 模具機(jī)械強(qiáng)度低，壽命較短，此外制作母版需要光刻和刻蝕等工藝。二是從傳統(tǒng)的機(jī)加工技術(shù)和數(shù)控技術(shù)發(fā)展而來的、基于去除材料原理的微機(jī)械加工方法。如微電火花加工、微銑削、微擠壓、微線切割等等，該類方法雖然也可以得到較高表面質(zhì)量、高精度和高空間分辨率的微金屬模具，但是三維加工能力有限，無法制作具有隨行冷卻水道的模具。三是從快速成型技術(shù)發(fā)展而來的微快速成型技術(shù)。它是結(jié)合當(dāng)今世界上最先進(jìn)的材料、CAD/CAM、精細(xì)加工工藝等技術(shù)，采用分層制造、逐層疊加的原理，從CAD模型直接制造具有一定功能的微零件，具有速度快、靈活、能加工任意形狀等顯著優(yōu)點(diǎn)，在MEMS、模具、 航空、航天、醫(yī)藥等行業(yè)得到了廣泛關(guān)注。目前三維印刷術(shù)(3DP)、熔融沉積制造(FDM)、光固化和微立體光刻等都已經(jīng)成功運(yùn)用到微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工中。但是這些加工方法都無法直接制造微金屬模具。基于金屬薄片疊加(sheet lamination)技術(shù)可以制造微金屬模具，這種技術(shù)空間分辨率和精度主要取決于金屬薄片的厚度，通常金屬薄片的厚度在幾十微米，因而制作的零件空間分辨率特別是側(cè)面分辨率有限。另外一種是采用二維噴鍍或?yàn)R射，然后層層疊加，該方法可以得到較高精度和空間分辨率金屬零件，但是金屬層與襯底的結(jié)合強(qiáng)度低、速度慢，效率低。激光微成型技術(shù)可以很方便地從金屬粉末和CAD模型直接制造微型金屬模具。由于無需模具，直接從CAD計(jì)算機(jī)模型和金屬粉末制造，因而可以實(shí)現(xiàn)快速制造；由于基于層層疊加的“加成法”，因而可以制造任意形狀的微型模具；由于采用的是相干性很好的激光， 可以聚焦成微小光斑，因而可以得到空間分辨率很高的微型模具。但是，采用激光微成型的制造的微模具的精度和表面粗糙度只能達(dá)到微米量級，這種精度和表面質(zhì)量對于微型模具是不夠的。而目前還沒有很好的方法來對微模具進(jìn)行整形和拋光，特別是對于復(fù)雜的模具內(nèi)腔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微金屬模具快速成型制造方法，采用該方法可以制作任意形狀的高精度微金屬模具。本發(fā)明提供的一種微金屬模具快速成型制造方法，其特征在于，該方法包括下述步驟(1)根據(jù)所需模具的幾何形狀，用計(jì)算機(jī)軟件對其三維圖形進(jìn)行切片，得到激光平面掃描輪廓信息；(2)在基底材料上預(yù)鍍覆一層金屬粉末混合物作為過渡層，該金屬粉末與所需的模具材料粉末之間具有良好的潤濕性；(3)在上述過渡層上預(yù)置一層模具材料金屬粉末，采用聚焦成微小光斑的激光束對上述金屬粉末進(jìn)行掃描，使金屬粉末熔化或者部分熔化從而形成一層；(4)在上述成型的層上多次重復(fù)上述預(yù)置和掃描過程，直至在過渡層上形成微型金屬模具初坯；(5)去除基底材料，得到微型金屬模具初坯；(6)對微型金屬模具初坯進(jìn)行整形，得到微型金屬模具。本發(fā)明將基于分層制造的激光快速微成型技術(shù)和微整形技術(shù)相結(jié)合，制造任意形狀的高精度微金屬模具。相對于其它方法制作的微型金屬模具，本發(fā)明制作的微型金屬模具可以加工成任意三維形狀，而且可以從CAD模型直接制造，無需模具，因而制作工藝更簡單更方面。相對于單純的激光微成型技術(shù)制造的微型金屬模具，本發(fā)明提供的方法制作的微型金屬模具精度更高，表面光潔度更高。


圖1是高精度微型金屬模具制造過程流程圖；圖2是微型金屬模具去除基底前的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是激光微燒結(jié)金屬模具初坯的流程圖；圖4是微整形技術(shù)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。首先采用激光微快速成型技術(shù)對微型金屬模具成型首先對模具的三維CAD模型進(jìn)行切片，得到每層的平面輪廓掃描信息；在基底材料上預(yù)鍍覆一層金屬粉末混合物作為過渡層；該金屬粉末可以與所需的模具材料粉末一樣，也可不一樣，但是兩者之間需有良好的潤濕性(如潤濕角小于90° )；然后在預(yù)涂過渡層的基底材料上鋪設(shè)一層金屬粉末，該金屬粉末可以是單種金屬粉末，也可以是多種金屬粉末混合物。再采用具有微小光斑(通常是指尺寸在數(shù)微米至數(shù)十微米)的激光對金屬粉末進(jìn)行掃描，層層疊加，得到微型金屬模具。然后采用微整形技術(shù)對微型金屬模具進(jìn)行整形，提高精度，從而的高精度高表面質(zhì)量的微型模具。由于采用了激光微快速成型工藝，因而能夠直接制作任意形狀的三維微型金屬模具；由于采用了微整形技術(shù)，因而能夠得到高表面質(zhì)量高精度的微型金屬模具。下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
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如圖1所示，本發(fā)明提供的制作方法包括四大過程基底材料表面鋪設(shè)過渡層、 激光微燒結(jié)金屬模具、基底去除和微整形。如圖1所示首先在基底上預(yù)涂覆一層厚度在 0.01-0. 5mm厚的金屬粉末過渡層；其次進(jìn)行激光微快速成型工藝，得到微型微金屬實(shí)體。 由于燒結(jié)用激光光斑和粉末顆粒很小，所燒結(jié)的金屬實(shí)體空間分辨率可以很小，從而燒結(jié)微型模具；然后分離基底，得到的微型金屬模具經(jīng)微整形后可得到高精度和高表面質(zhì)量的微型金屬模具。如圖2所示，本發(fā)明采用激光微快速成型技術(shù)后得到的微型金屬模具在去除基底前由三層組成基底1、過渡層2及模具初坯3。首先在基底1上預(yù)鍍覆一層厚度約 0. Olmm-O. 5mm厚的金屬粉末作為過渡層2。這種金屬粉末可以是一種金屬粉末也可以是多種金屬粉末的混合物，可以與模具材料一樣也可以不一樣，但是兩者之間必須有較好的潤濕性能。這些金屬粉末有較好的機(jī)械力學(xué)性能，如Cu、Fe、不銹鋼、Al、Mn、Ni及其合金及混合物等。鍍覆方法可以是熱噴度、電化學(xué)、磁控濺射、真空鍍膜等方法。如圖2所示的模具初坯3是按照圖3的流程制造出來的。如圖3所示，在過渡層2 上預(yù)置0. 01-0. 5mm厚的金屬粉末，然后采用功率為1W-200W，掃描速度為Imm/s-lOOOmm/s，光斑大小為2 μ m 100 μ m的激光掃描金屬粉末；由于吸收了激光能量，激光輻照區(qū)粉末的溫度升高，當(dāng)激光功率密度足夠大時(shí)，金屬粉末熔化或者部分熔化；當(dāng)激光移走后，這些熔化的金屬凝固從而形成微模具初坯的一層。重復(fù)該過程，層層疊加，得到微型金屬模具初坯3。由于激光光斑很小，因此可以得到空間分辨率極高的微型金屬模具初坯。預(yù)置的金屬粉末有較好的機(jī)械力學(xué)性能，如Cu、Fe、不銹鋼、Al、Mn、m及其合金及混合物等，適合做金屬模具。通過分離技術(shù)去除基底和過渡層2，從而得到微型金屬模具初坯3。該微型金屬模具初坯3再使用微整形技術(shù)對其進(jìn)行整形。微整形可以是激光微整形、等離子體微整形、微機(jī)械加工以及其他微整形技術(shù)。通過去除不光滑的表面，得到好的表面質(zhì)量；通過修整多余的部分，從而得到高精度的模具；由于整形的空間分辨率高，因而可以得到很高的精度。如圖4所示，一帶隨形冷卻水道9的微型金屬模具初坯3已經(jīng)由激光微快速成型技術(shù)完成。激光器4發(fā)出的0. Iff-IOOff的激光經(jīng)光學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5后由光纖6及光纖頭部的聚焦透鏡7聚焦成2 μ m 30 μ m的微小光斑，該高功率密度的激光以0. lmm/s 100mm/S的掃描速度輻照到已經(jīng)成型的微型金屬模具初坯3上，對模具初坯3的內(nèi)腔8進(jìn)行整形，從而提高內(nèi)腔8 的精度和表面質(zhì)量。微型金屬模具初坯3在工作臺10的帶動下實(shí)現(xiàn)平動和轉(zhuǎn)動，從而使得激光微整形完成，得到高精度個(gè)高表面質(zhì)量的微型金屬模具。實(shí)例1 在不銹鋼基底1上采用熱噴涂技術(shù)噴涂一層厚度約0. Imm的過渡層2，噴涂粉末可以跟模具粉末一樣；在過渡層2上預(yù)置一層厚度為0. Imm厚的不銹鋼粉末，該金屬粉末為適合做模具材料的粉末；采用功率為10W，掃描速度為50mm/s，光斑大小為50 μ m的激光掃描金屬粉末；由于吸收了激光能量，激光輻照區(qū)粉末的溫度升高，當(dāng)激光功率密度足夠大時(shí)，金屬粉末熔化或者部分熔化；當(dāng)激光移走后，這些熔化的金屬凝固從而形成微模具初坯的一層。重復(fù)該過程，層層疊加，得到微型金屬模具初坯3。通過分離技術(shù)如激光切割技術(shù)得到微型金屬模具初坯3。采用激光微整形技術(shù)對微型金屬模具初坯3進(jìn)行整形。采用2W、聚焦成ΙΟμπκ的微小光斑的激光以掃描速度為 10mm/s輻照到微型金屬模具初坯3上，對模具初坯3的內(nèi)腔8進(jìn)行整形，通過去除不光滑的表面，得到好的表面質(zhì)量；通過修整多余的部分，從而得到高精度的模具。實(shí)例2-4其流程如實(shí)例1，工藝參數(shù)如下表所示。
權(quán)利要求
1.一種微金屬模具快速成型制造方法，其特征在于，該方法包括下述步驟(1)根據(jù)所需模具的幾何形狀，用計(jì)算機(jī)軟件對其三維圖形進(jìn)行切片，得到激光平面掃描輪廓信息；(2)在基底材料上預(yù)鍍覆一層金屬粉末混合物作為過渡層，該金屬粉末與所需的模具材料粉末之間具有良好的潤濕性；(3)在上述過渡層上預(yù)置一層模具材料金屬粉末，采用聚焦成微小光斑的激光束對上述金屬粉末進(jìn)行掃描，使金屬粉末熔化或者部分熔化從而形成一層；(4)在上述成型的層上多次重復(fù)上述預(yù)置和掃描過程，直至在過渡層上形成微型金屬模具初坯；(5)去除基底材料，得到微型金屬模具初坯；(6)對微型金屬模具初坯進(jìn)行整形，得到微型金屬模具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微金屬模具快速成型制造方法，其特征在于，過渡層的厚度為0. Olmm-O. 5mm，所采用的金屬粉末為Cu、Fe、不銹鋼、Al、Mn、Ni或其合金中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微金屬模具快速成型制造方法，其特征在于，步驟(3) 中，預(yù)置的金屬粉末的厚度為0.01-0. 5mm，激光束為的功率為1W-100W，掃描速度為Imm/ s-1000mm/s，光斑大/]、為 2 μ m 100 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微金屬模具快速成型制造方法，其特征在于，步驟(6) 中，利用功率為0. 1W-100W、光斑直徑為2 30 μ m的激光束對微型金屬模具進(jìn)行整形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度微型金屬模具的制作方法。它采用激光微快速成型技術(shù)制造微型金屬模具，再采用微整形技術(shù)對微型金屬模具進(jìn)行整形，使之達(dá)到高精度。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微型金屬模具三維成型能力不足以及精度不高的難題。本發(fā)明采用激光微快速成型技術(shù)對微型金屬模具成型，三維制造能力強(qiáng)，能直接制造具有任意形狀的微型金屬模具；采用微整形技術(shù)對其進(jìn)行后續(xù)加工，可以得到任意形狀的高精度的微型金屬模具。
文檔編號B22F3/105GK102151827SQ20111006187
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者朱海紅, 柯林達(dá), 殷杰 申請人:華中科技大學(xué)