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模具制造

模具制造中的增材制造技術介紹

增材制造技術又稱3D打印,其基于“離散-累積”的方式逐層成 形 零 件,與 傳 統 加 工 方 式 相 比,其 不 需要工裝夾具,可 加 工 任 意 復 雜 形 狀 的 零 件,零 件 的 設計不再受加工方 法 和 裝 配 的 限 制。因此,增 材 制造技術為模具 加 工 提 供 了 一 種 新 的 方 法 和 途 徑。金屬材 料 的 增 材 制 造 成 形 技 術 較 多,按 工 藝 可 分 為SLM、電子束熔化制造(EBM)、激光近凈成形(LENS)等。
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EBM、LENS和SLM技術均可直接成形模具鋼。EBM基于 粉 床,其 能 量 源 為 電 子 束,成 形 過 程受 高 真 空 保 護,預 熱 溫 度 較 高,成形件殘余應力小,因 此,該技術適用于成形稀有難熔及脆性金屬材料。目前 常 見 的EBM成形 材 料 主 要 有TiAl合金、W、Mo及Ni合金 等,少 量 研 究 涉 及 模 具 鋼。Cormier等利用EBM成形 了H13模具 鋼,成 形件 的 硬 度 達 到48~50HRC。Rnnar等利用EBM成形出了一種含有隨形冷卻流道的模具鑲塊,如 圖2所 示,該鑲塊具有與傳統加工件相同的機械切 削 性 能。LENS基于 同 軸 送 粉,具有成形零件尺寸大、成形 效 率 高 等 特 點,已 有 學 者 對LENS成形 模 具 鋼 進行 了 研 究。如Unocic等研究 了LENS成形H13模具 鋼,建 立 了 激 光 功 率、粉末流量等工藝參數與沉積 效 率 間 的 關 系,為模具鋼零件的快速成形提供了參 考。Manvatkar等通過 對H13的單 道 多 層 沉積 成 形,建立了其熱傳遞的三維熱力學模型,為 模 具鋼 的LENS成形提供了理論依據。盡管上述兩種增材制造技術均可用于高性能金屬 模 具 的 直 接 成 形,但 與SLM相比,LENS成形 精度 較 差,成 形 零 件 復 雜 度 低;用 于EBM成形 的 金 屬粉 末 粒 徑 較 大(40~100μm),造成其成形件精度低,表面 粗 糙 度 大(15~50μm)。而SLM技術采用了能量密度高、光 斑 細 小 的 光 纖 激 光 器,成 形 精度 高、冷 卻 速 度 快,在 對 表 面 粗 糙 度 和 尺 寸 精 度 要 求較高的模具制造領域具有顯著優勢。

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