模具& 工装 | 18分钟阅读

快速七星彩:'成型速度更快

Rapid tooling technology is not just about speedy moldmaking. Now it also signifies higher productivity in molding. 的latest RT technology achieves dramatically faster cooling and stands up to long-run molding, as well.

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的"rapid" in 快速 -tooling technology originally meant that molds could be made much faster than with conventional machining. That's still true. But in the last few years, RT technology has evolved toward building molds that provide up to 40% faster cycles than are possible with conventional technology. That emphasis on productivity accompanies a shift in RT applications from prototype to full production tooling.

 较新的RT方法可以最大程度地减少或消除由不均匀冷却引起的翘曲和内部应力,同时通过从较厚的截面或其他难以冷却的特征(例如凸台或肋条)中更快地吸收热量来提高生产率。据报道,至少有两个消息来源对更新的高电导率七星彩进行了测试,发现成型周期中的冷却时间可以设置为零,并且该过程仍会产生合格的零件。

传统的七星彩制造受到两个因素的限制:一个是标准七星彩钢(如H-13,P-20或不锈钢)的适度导热性,这些七星彩钢的选择是出于硬度和/或耐腐蚀性。冷却也受模具基体上直的枪孔通道的限制。传统的模具制造商可以尝试使用铍铜合金或其他高导电性铜合金,二次冷却通道或"bubblers"在深核和热管中"thermal pins"可以伸入七星彩体内以吸收热量。

供应商 of 快速 toolmaking techniques have developed two routes to improved mold cooling: building conductive metals into the tool from the start and/or incorporating cooling channels that conform to the part surface, no matter how irregular its shape. RT suppliers claim that either or both of these methods can do better than either 起泡器 or heat pipes. And the newer RT methods typically combine conductive metals with a tool steel to create a bimetallic structure that helps deliver better wear resistance than copper alloys or aluminum alone.

类似于P-20钢,某些用于常规模具制造的导电合金的硬度值高达30至40 Rc。金属供应商Bohler-Uddeholm说,也有将铜合金和铝预硬化到相似水平的方法。但是当今的RT技术将导电金属与七星彩钢结合在双金属结构中,从而提供了高导电性,硬度为50至80 Rc—与H-13钢一样高或更高。

硬质但导电性强的金属的新发展可能会促进对快速加工七星彩的接受,这引起了人们的极大兴趣,但模具制造商和模塑商的采用只是适度的。在大多数情况下,RT方法已用于原型和小批量生产中。现在,所谓的"bridge"RT掌握七星彩应用程序和大量工作。"基本上,现在的目标是在更高的冷却速度下获得相同的刀具寿命,从而实现更快的循环,"RT技术供应商RSP 工装 总裁Jim Knirsch说。

 

RT的路很多

的spectrum of 快速 -tooling technologies 恩 compasses four distinct approaches to producing a bimetallic mold or insert. Some create an insert with a surface layer of tool steel and a core of conductive metal. 的POM Group offers its Direct Metal Deposition (DMD) process, which simultaneously sprays metal powder and melts it with a laser. RSP 工装 utilizes its Rapid Solidification Process, a metal-spray method. ExOne (formerly the ProMetal div. of Extrude Hone) uses a metal 印刷 process to produce mold inserts for D-M-E Co. under the product name 模子 Fusion.

激光烧结技术用于制造不是分层而是由钢和导电金属混合而成的七星彩刀片。 3D Systems和Optomec提供了不同的方法。

另外,所谓的梯度七星彩或刀片是由单一金属制成的。 EOS能够在模具制造过程中控制专有导电七星彩钢的密度和机械性能,以形成表皮和芯部结构。

所有这些RT方法的共同点是创建与零件表面轮廓一致的模具冷却通道。这种保形冷却使得可以从传统冷却通道难以进入的区域吸热。保形冷却还可以减少所需的冷却线总数,从而可以节省七星彩制造时间。

"保形冷却具有优于常规冷却线的明显优势。常规线限于圆孔和直线,并且位置受其他模具组件的限制, "D-M-E模具部件产品经理Chuck Azzopardi说。"保形冷却线可以是任何期望的形状,并且可以在某些限制内根据需要弯曲。它们可以绕其他模具组件布线,并且进口/出口位置可以有策略地定位," he adds.

"适形冷却并不是我们所有客户的灵丹妙药,因此我们正在与众多大型客户合作以证明这一点。我们的工作采用了保形冷却,将周期时间从8%降低到40%,"POM Group客户经理Jerry Janson说。与客户达成的保密协议涵盖了大部分工作。但是,Janson列举了一种在汽车应用中采用保形冷却的七星彩的示例,该七星彩将零件的循环时间从54秒减少到36秒,减少了33%。

实时咨询顾问兼Wohlers Associates总裁Terry Wohlers回忆说,PVC零件的曲线或弯头明显,且周期时间长且零件质量差,这种情况:"用传统的枪钻冷却线无法冷却该零件。保形冷却线被添加到现有模具中,从而在提高质量的同时,将零件冷却时间减少了10倍。" Wohlers states.

 

不只是原型

RT技术正在量产中证明自己。 POM已构建了DMD七星彩,已生产了500,000至100万个零件。它的七星彩已用于PC,TPO和PP纳米复合材料的成型。

EOS说,其直接金属激光烧结(DMLS)工艺用于制造具有保形冷却的七星彩,用于制造高尔夫球。"四腔模具无故障运行了500万次循环,生产了2000万个零件,"产品经理Michael Shellabear博士说。 DMLS还用于一种生产七星彩,该七星彩使用玻璃填充的PBT生产数十万个电连接器。

"我们有许多客户不想谈论他们的七星彩应用程序,因为他们认为这是一种优势,"注意3D Systems的选择性激光烧结(SLS)系统高级市场总监Simon van der Crommert。但是他可以举一个例子:"我们生产了用于‘动作人,”模型雕像,"他说。使用SLS七星彩不仅可以比传统模具更快地成型产品,而且客户还可以运行200万次。

RT技术的最大用户之一是RT和快速原型服务局Bastech Inc.,该公司已使用3D Systems的SLS工艺为原型和生产应用制作了200多个RT刀片。总裁Ben Staub说,"我们用H-13钢制造了型芯和型腔,用于由玻璃填充尼龙模制而成的彩弹枪握把。我们在两腔模具中生产了100,000个零件。模制完成后,只需要对七星彩进行抛光即可。"

 

双金属分层方法

POM Group的直接金属沉积技术使用金属粉末生产出99.8%的完全致密七星彩组件。该工艺于1998年商业化,使用5千瓦激光和粉末七星彩钢(D-2,H-13,P-20,不锈钢或许多其他类型)。为了制造高导电性的七星彩或组件,第一步是用导电金属(例如Ampco 940铬铜合金)制造芯。然后,通过DMD将钢壳沉积在芯上。

该过程从专门设计的喷嘴开始,该喷嘴带有用于激光,金属粉末和惰性气体的独立孔口,可创建无氧环境。七星彩的逐层构建遵循从CAD文件生成的七星彩路径。少量粉末状金属通过喷嘴中的孔注入直径为1到2毫米的点上。当粉末到达基材表面时,激光束会同时将金属熔化成一个小的熔池,当激光继续前进时,熔池会迅速冷却。生成速率为2到9立方英寸/小时。外壳以0.5到1.25毫米的层堆积为近最终形状,并添加了0.007到0.010的过量材料,必须使用常规抛光或EDM进行精加工。 POM声称,借助专有的金属基材料,核与壳之间存在真正的冶金结合"interface" or bond coat.

POM提供了一种五轴DMD机床,其工作面积为1 x 2 x 0.75米。根据所使用的粉末金属合金,DMD可以生产表面硬度高达62 Rc的钢壳。因此,POM可以使用其技术来修复损坏的七星彩。如果由于零件中的设计更改而对七星彩进行了修改,则仅可以将要更改的区域进行机加工,并使用DMD将新的几何图形直接添加到模具中并进行最终尺寸的加工。与传统的翻新模具不同,不需要对整个模具进行热处理以硬化翻新部分。同样,DMD可用于在旧七星彩的滑块,插入件和提升器上增加保形冷却通道,以减少循环时间。

肯塔基州路易斯维尔大学的快速成型中心拥有POM的DMD系统,并正在使用铬铜和H-13钢的双金属七星彩进行广泛的测试,以评估七星彩的寿命和整体性能。单腔七星彩在零冷却时间下运行PP,将整个周期从27秒缩短到22秒,同时仍能生产出可接受的零件。该中心还正在测试用于铝压铸的DMD七星彩的功能,铝压铸是一个更为恶劣的加工环境,大学研究助理Tim Gornet说。路易斯维尔快速原型制作中心。

第二种涉及双金属层合的RT工艺是RSP的快速凝固工艺,这是一种金属喷涂沉积方法,可产生99.5%至99.8%的完全致密的型芯和型腔。该方法是在爱达荷州国家工程部门开发的&环境实验室(INEEL)与11家公司组成的两年联合体。该工艺使用借助立体光刻,SLS或其他快速成型工艺构建的陶瓷图案。然后,将钢水注入喷嘴中,在钢水中遇到通道的惰性气体流,该气体将小滴18-24输送到零件表面。液滴在飞行中迅速冷却,并在遇到图案时立即凝固。喷嘴最多可以沉积500磅/小时的材料。喷涂过程密切模拟了表面细节。为了产生皮/芯结构,加热沉积的钢,然后在其上喷涂一层铜合金。可以通过以下方法将保形冷却线添加到七星彩中:停止喷涂过程,放置铜管,然后用更多喷涂的金属将其密封。

RSP的Knirsch说,"Spraying the steel layer first allows for an even layer to be built. That will give us uniform heat transfer from the molding surface. 的copper layer will vary in thickness across the mold. We let the copper make up the full depth of the insert."

的bond between the steel and copper is formed by the rough-spray technique, whereby the open surface of the steel is extremely rough. When the copper is sprayed over the steel, it infiltrates the nooks and crannies forming a strong physical bond, though not a metallurgical bond.

模具零件可以在几分钟内制成,尺寸公差比±0.002 in。的零件最多可制造7 x 7 x 4 in。,并且计划生产更大容量的机器。

的RSP process can be used with at least 10 different tool steels and with softer materials. When used with H-13, tool hardness can exceed the 60 Rc of a conventionally heat-treated H-13. This is due to the quick quenching of the sprayed droplets, which affects grain structure and strength. RSP tooling can also be heat treated and tempered.

RSP正在评估可提供更高硬度的高铬含量金属。它还正在测试Inconel(一种耐腐蚀的高温镍铬铁合金)。未来的发展还将提供在喷涂过程中混合不同金属的能力。

 

混合金属表面

选择性激光烧结(SLS)是DTM在1996年商业引入的一种加工工艺。DTM被3D Systems收购。对于快速七星彩,该过程首先建立一个"green" part from a steel powder with a polymer binder. 的part is built up in thin layers by 快速 sintering of the powder as a laser traces paths derived from a CAD model. 的绿色 part is placed in a debinding oven, where the binder is burnt off. Then the voids within the part are filled by infiltration with molten bronze and steel. 的last steps are heating to sinter and anneal the final part.

的process typically yields a homogeneous part of 60% steel and 40% bronze with a hardness of 39 Rc, which compares with a P-20 steel, says 3D Systems' van der Crommert. 的near-net-shape part experiences almost no shrinkage after the debinding stage. It is a fully dense part following infiltration and requires little post-processing beyond polishing,范德克罗默特说。

3D Systems提供了两种用于SLS七星彩的不锈钢粉末:Laserform ST-100(420不锈钢)和Laserform ST-200(不同的不锈钢成分)。新型Laserform A6粉末包含低碳钢颗粒和粘合剂体系。

的company is exploring new infiltration materials for SLS, including beryllium-copper, Ampco 940 nickel-silicon-chromium-copper alloy, tungsten carbide and aluminum, and silicon-bronze, which reportedly can make tools that will cool up to 40% faster than conventional molds.

同时,使用3D金属"printing"该工艺使用喷墨快速成型技术的一种变体,由钢粉和热固化的聚合物粘合剂层制成模具。该工艺由ProMetal Div在2000年商业化。提供金属沉积机械的Extrude Hone Corp.的制造商。该部门最近被位于匹兹堡的Kennametal收购,其名称更改为ExOne。 D-M-E公司正在营销一项服务,以提供由ExOne使用金属印刷工艺生产的商品名为MoldFusion的定制插件。 D-M-E将在5月初在波士顿举行的SPE ANTEC会议上发表有关MoldFusion和保形冷却的论文。

的3D 印刷 process spreads a layer of stainless-steel powder onto the tool-building surface, and then uses an ink-jet type of printer head to deposit a pattern of polymer binder on the powder surface. 的droplet pattern is derived from a 2D slice of the CAD model. An integral lamp quickly dries the binder on the steel powder. Another layer of powder and binder is then deposited on top of the first, and so on. 的part is placed in a sintering furnace in which the binder is burned off and the metal particles are fused together. 的"green"然后将烧结的零件渗入青铜中以达到全密度。

的result is a near-net-shape part that is typically 60% steel and 40% bronze with strength, compressibility, and hardness (about 30 Rc) similar to P-20 steel. Maximum size is 8 x 8 x 6 in. 的tool has a base tolerance down to ±0.005 in. and the variance over the length of the part is 0.002 in./in. 的tool can be machined, ground, polished, coated, or plated.

"我们还可以选择将材料烧结至完全密度而不渗透,"ExOne的R霍华德·库恩(Howard Kuhn)说&D主任。制作不带青铜的完整不锈钢零件可将其硬度提高到55 Rc,但会降低其热导率并带来15%的线性收缩,而零件渗入后仅产生1%的收缩。无论哪种情况,都可以在几天内制造出七星彩。

ExOne正在评估几种新型建筑材料,包括七星彩钢,不同的不锈钢/青铜组合以及带有可改善硬化性能的添加剂的导电合金。 [R&库恩说,有关保形冷却研究的研究是重点。"用我们的金属印刷工艺生产的刀片中,将近75%具有保形冷却。 "

 

渐变七星彩

德国的Electro Optical Systems(EOS)开发了直接金属激光烧结(DMLS)工艺来生产刀具镶件,从而省去了脱脂步骤。该系统的商品名为DirectTool,始于EOS设计的专有金属粉末,包括几种熔点不同的组分。 DirectSteel产品线提供用于模具的钢基粉末。 DirectTool工艺铺设了一层钢粉,并立即通过特殊的激光进行烧结。构建平台降低,并添加了另一层。激光可以以各种速度传播,也可以停留在一点以传递更多的能量,从而使金属更致密。

可以调整激光技术和金属粉末的成分,以使用户"tune"较硬或较软的部分。改变钢的晶粒尺寸和形状可以在零件的不同区域产生具有不同密度,硬度和导电性的皮芯结构。"用户可以对该单元进行编程以创建渐变效果,例如使用外部蒙皮,内部蒙皮和核心。因此,七星彩刀片的外部可以致密且耐磨,而内部则可以具有一定程度的可压缩性,而这些压缩性均来自于相同的材料,"EOS的Shellabear说。通常,结果至少为42 Rc。

Shellabear说,可以在较小的半径或较小的直径内建立适形的冷却通道。"我们生产的刀片带有精细的螺旋形冷却通道,可以到达困难地区的热点," he says.

的EOSInt DMLS machine has a 10 x 10 in. build area, producing layers as thin as 40 microns and accurate to ±0.05 mm. Build speed ranges from 0.4 to 3.3 cu in./hr, depending on the material. 的near-net-shape tool requires some polishing.

EOS is close to commercialization of powder build materials based on 144 PH stainless steel and titanium alloys, says Shellabear. 的company is also looking at using H-13.

 

RT需要习惯

与传统七星彩相比,增强型冷却的价格溢价10%至30%。但是,RT供应商表示,模塑商将通过更快的冷却和更高的生产率看到快速的投资回报。但并非所有RT公司都说他们的七星彩成本更高。 RSP的Knirsch断言,"由于我们的过程比加工七星彩便宜,因此成本接近标准七星彩。"

高电导率快速模具的双金属结构提出了有关粘结,热应力,膨胀和收缩的微分系数以及潜在分层的问题—可能会阻止某些模塑商尝试RT的问题。但是RT供应商在选择如何以及在何处使用其技术时一直持谨慎态度,并引用了正在进行的R&D致力于改进他们的技术。

"我们正在研究改善钢与铜之间的结合力的方法,"RSP的Knirsch说。"我们有几种七星彩投入生产,这些七星彩将是非合金铜,顶部为H-13七星彩钢。我们有数据说冷却速度应该快20%到30%。"

POM开发了一种特殊的粘结涂层,以最大程度地减少两种金属之间的分层,而RSP之类的公司则依赖于七星彩制造过程中金属之间形成的物理粘结。库恩说,ExOne的3D金属印刷工艺使用兼容的材料来最大程度地减少分层的机会。"铜合金与不锈钢兼容,这会导致青铜芯吸到不锈钢的结构中," he says.

一些模塑商可能会担心复合金属表面是否具有足够的硬度来满足要求苛刻的模塑工作。一个典型的例子是SLS生产的七星彩。"我们发现许多[RT]用户不对七星彩进行热处理,但是铬或镍可以毫无问题地镀在表面上,"3D Systems的van der Crommert说。但是,电镀增加了延长工装交货时间的步骤。

3D Systems认为,即使是未电镀的SLS七星彩也将表现出良好的耐磨性。"渗透青铜具有一定的耐磨性,可以作为润滑剂。与传统材料相比,一些用户发现我们的七星彩具有更好的磨损效果,"范德克罗默特说。

为了使RT模具成功,成型者需要学习如何正确使用它们。"您必须注意不要快速冷却七星彩,否则可能无法正确填充,"POM的Janson警告。 RSP的Knirsch说,"使用增强型冷却方法的成型者可能必须通过增加注射压力和注射速率来调整其成型过程,以确保材料到达七星彩中的填充终点。它们还可能必须提高树脂的温度。"一些供应商正在使用计算机仿真技术或其他有限元分析软件来开发具有双金属部件的模具的工艺模型。

"优化导热七星彩的成型过程可能需要更改螺杆速度,顶出速度,开合模速度,热尖温度,模具温度和冷却时间,"大学的Gornet说。路易斯维尔。

制造工程师协会(SME)的快速技术和增材制造委员会主席Scott Schermer提醒说,对共形冷却的工作原理缺乏了解只会导致模塑商更快地制造许多不良零件。他指出,随着模具表面更多地靠近冷却通道,较薄的部分可能冷却得太快,然后变形。更好的方法是将冷却通道移动到更靠近热点的空腔,否则将其退回合理的位置。

另一个棘手的问题是,RT模具中使用的七星彩钢和导热金属的相对比例是多少。"它是Catch22。如果要用坚硬的材料(例如玻璃纤维尼龙)模制,则需要有足够的七星彩钢来应付磨损。但是添加的七星彩钢越多,传热系数越低,"POM的Janson说。 POM通常在导电材料的顶部使用60到100密耳的七星彩钢。其他供应商说,这取决于产品以及客户想要多少冷却或耐磨性。

RT流程可以产生的特征的最小尺寸也可能存在限制。 3D Systems表示,其过程的用户报告说,应该有可能只有0.030英寸的正或负特征。 RSP说,不受支撑的站立特征的最小厚度应为0.08英寸,宽高比为1:4。 Knirsch建议,如果可能,应在零件首次制造后加工流道,浇口和顶出器的针孔。

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