随形冷却水道的注塑模具快速制造分析

优胜编程龚老师

随形冷却水道的注塑模具快速制造分析

性激光烧结(SLS)技术烧结混加高分子粘结剂粉末的普通铁粉成形注塑模具形坯，而后形坯经过脱脂、高温烧结、浸渍改性环氧树脂和浸渍后树脂的固化完成注塑模具制造。笔者对模具的强度和精度进行了分析研究。该方法综合了快速成形制造(Rapid Prototyping&Manufacturing，RP&M)技术的快捷性和SIS技术自身的优点，既可以缩短制造注塑模具的周期，又能够随塑料件的形状轮廓设置模具中的冷却水道，从而既加快了商家对于市场需求的反应速度，又提高了注塑效率和注塑件的质量。

　　快速成形制造(Rapid Prototyping&Manufacturing，RP&M)技术为注塑模具的快速制造提供了技术平台，依此技术，新型的塑料零件能够尽快应时进入市场。以往设计的注塑模冷却水道都是直线型，水道加工都是采用钻孔的常规方法，加上受到塑料制件顶出系统的限制，影响了水道的分布、大小和数量，注塑件往往达不到均匀快速冷却，从而降低了注塑效率和塑料件的质量。RP&M中的三维打印和选择性激光烧结(SLS)技术采用粉末分层堆积制造的成形方法，能够摆脱常规方法对于水道加工的诸多限制，从而制造具有复杂冷却系统的注塑模具，其中的SLS在此方面技术更胜一筹。
　　美国前DTM公司采用SLS技术主要对高分子材料包覆的1080钢、316和420不锈钢粉末进行烧结成形模具形坯，不但粉末原料较昂贵，而且需要对模具形坯进行高温烧结和浸渗低熔点的金属(一般为铜或青铜);由于浸渗低熔点金属的温度高(1000℃以上)，形坯容易变形和开裂。低温浸溃高分子材料可以避免上述的缺陷。因此，本文作者选择混加高分子粘结剂粉末的普通电解铁粉为原料，利用SLS技术成形带有随形冷却水道的模具形坯，并通过脱脂、高温烧结和低温浸渍改性的环氧树脂的工艺方法进一步提高其致密度和强度。笔者在文中主要论述了采用以上方法制造注塑模具的过程，并且对模具的强度和精度作了分析研究。

　　1 注塑模具的制造
　　采用间接SLS方法成形注塑模具的形坯。所谓间接方法就是利用小功率激光加热添加高分子粘结剂的金属粉末，使粘结剂软化并粘结金属颗粒，如此层层堆积粘结成形零件形坯，其成形原理如图1所示。然后，对形坯进行脱脂、高温烧结、浸渍环氧树脂和表面处理，最终完成模具的制造。
　　1.1 制造模具用粉末材料
　　模具的骨架材料选用粉末冶金行业常用的电解铁粉，粒度为<53μm，颗粒形状为不规则的粒状(见图2)。粘结荆选择高分子粉末材料，其粒度小于12μm。2种粉末采用三维混粉机进行混合，混合后的粉末作为成形粉末原料。
　　1.2 模具形坯的制造
　　模具形坯在由华中科技大学开发的HARP-II型SLS成形系统上完成，该系统采用50wc02激光器，激光功率连续可调。将模具CAD三维实体结构模型以STL文件格式输入SLS系统中，模具的冷却水道分布如图3所示。从图中可以看出，水道随零件的形状改变，并贴近零件壁，水道的转弯处为圆滑的弧状，并且都处于模具的内部，采用常规方法无法对其进行加工。
　　SLS系统成形的主要工艺参数为激光功率、扫描速度、扫描间距、单层厚度及预热温度。预热温度应接近粘结剂的熔点，这样既能够降低成形所需要的激光功率，又可以避免扫描后的层面由于较大的环境温差造成的变形。通过对试验中的粘结剂材料进行示差扫描量热(DSC)分析，该树脂的熔点在65℃左右，因此预热温度控制在53℃左右。综合考虑成形效率和SLS制造阶梯效应的因素，成形中单层厚度为0.1mm，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.1mm，都为常用值。粘结剂的粘结状况与激光能量密度相关，能量密度的表达式如公式(1)所示。
　　ρE=P/(SP·SCSP) (1)
　　其中P为激光功率，SP为扫描速度，SCSP为扫描间距，ρE为激光能量密度。调节激光功率以改变能量密度，零件的强度只同激光功率相关。最终的激光功率确定为14W，形坯的强度可达14.95MPa。激光粘结后的金属粉末颗粒的粘结状况照片如图4所示，可见，金属粉末基本上为树脂所粘结包覆。形坯随形冷却水道中存在未烧结的松散粉末，可以用真空吸尘设备将其吸出。
　　1.3 模具形坯的脱脂
　　粘结剂材料的热分解分析(TGA)在氮气环境下进行，升温速率为10℃/min，温度达到树脂完全分解为止，其TGA曲线如图5所示。从TGA曲线中可以看出：粘结剂230℃开始分解，400～460℃温度段，分解最为剧烈，分解量占总量的70%以上;460～730℃树脂分解速度逐渐降低，730℃左右分解完毕。因此，依照树脂的TGA曲线，形坯脱脂时分解量大且速度快的温度段，升温时间稍长一些，能够保证树脂在该温度段分解部分的完全分解，并且减缓分解气体冒出的剧烈程度，避免气化膨胀对形坯金属颗粒的冲击。试验将脱脂的最高温度设为800℃，依照TGA曲线，树脂可以完全分解脱去，可以使形坯得到预烧结，金属颗粒间通过烧结颈连接并具有一定的强度，且可以搬运。
　　1.4 脱脂坯的高温烧结
　　形坯脱脂后放在真空炉中进行高温烧结，提高形坯的强度。烧结的最高温度为1180℃。800℃之前以20℃/min的升温速率较快升温;之后，以200℃/h升温速率到1180℃，并保温1h。烧结后形坯的孔隙度为46%左右，烧结坯的表面粗糙度Ra为2.5～5.0μm，烧结后的模具如图6所示。
　　1.5 浸渍改性环氧树脂
　　将模具高温烧结形坯和渗料一同放在可抽真空的恒温箱中预热，温度为110℃。将形坯平放入装有渗料液体的容器中，并使渗料的液面接近冷却水道下缘的平面(见图7)，而后将液体渗料刷到形坯的上表面，这样可以保证水道不被液体填充。抽真空浸渍，真空度保持在0.09MPa，以提高浸渍效率。当模具表面的液体渗入形坯中后，再刷另一层，并抽真空浸渍。如此反复多次，直至表面液体不再渗入形坯消失为止，说明树脂已经充满形坯孔隙。用滤纸将形坯表面多余的树脂擦净，并将形坯放入恒温箱中在160℃下固化4～6h。树脂固化后的模具如图8所示。浸渍树脂提高了模具表面光洁度，经过表面的抛光处理，表面粗糙度可达Ra<μm。
　　固化后的树脂材料的TGA曲线。从图中可以看出，在150℃时，几乎没有质量损失，当温度上升至200℃时，树脂的分解量不到5%，因此可以满足一般注塑模具要求100～150℃的工作温度。

　　2 模具强度和精度分析
　　模具的强度主要来源于脱脂形坯的高温烧结和浸渍改性环氧树脂后的固化。高温烧结后，模具是多孔材料，多孔材料的强度可由经验公式(2)表示：
　　σ=Cσ0f(ρ) (2)
　　式中：σ是多孔材料的强度;σ0是对应于多孔材料致密材质的强度;f(ρ)是与多孔材料密度相关的函数，C是常数。从公式(2)中可以看出，多孔材料的强度与其致密度相关。可以通过成形较细的金属粉末和减少粘结剂含量提高形坯材料的致密度，从而增加其强度。浸渍树脂并固化后，模具形坯材料的金相组织光学显微照片如图10所示，其中的亮色为金属，暗色为固化后的树脂。树脂也是以多孔形式与金属共存，由于两种材料都没有严格的方向性，因此在方向性的力的作用下，两者存在相互作用，模具材料的强度是上述两种多孔材料强度非线性叠加的结果。由上述材料制成的模具没有纯金属模具强度高，因此只适合小批量生产。
　　与SLS形坯相比，最终模具长、宽方向的收缩率分别为2.8%和3.2%，高向的收缩为5.7%。收缩原因有以下两点：高分子粘结剂颗粒的脱除;高温烧结。前者可以通过减小粘结剂的含量和细化粘结剂颗粒使其分布在金属颗粒的孔隙中且不占据多余空间加以改善;后者则可通过降低高温烧结温度损失部分强度来实现。此外，还可以将收缩信息反馈给CAD三维模型进行尺寸补偿来控制收缩。

　　3 结论
　　采用间接SLS方法，以普通铁粉为成形原料，经高温烧结和浸渍改性环氧树脂，可以制造注塑模具。这种方法综合了RP&M技术的快捷性和SLS技术自身的优点，可在一周之内制造出具有内置复杂随形冷却水道的注塑模具，此类模具可以提高注塑效率和塑料件的质量。由于此类模具的强度不及致密金属模具高，因此只适合于小批量的生产，而且模具的精度有待于进一步提高。