专利名称：一种选区激光烧结快速制造金属模具的方法
技术领域：
本发明涉及快速制造金属模具，尤其是涉及一种选区激光烧结(Selectivelaser sintering，SLS)快速制造金属模具的方法。
背景技术：
随着市场全球化以及竞争的不断加剧，产品更新换代的速度不断加快，新产品的开发、研制、生产周期短、批量小、更新快，已成为制造业技术发展的主要趋势之一，多品种小批量将成为制造业的重要生产模式。在这种情况下，制造业对产品原型的快速制造和模具的快速制造技术提出了更高的要求，提出了高效率、高精度、高寿命的三高模具。而金属模具快速制造技术的目标是直接制造可用于工业化生产的高精度耐久金属硬模，其在缩短制造周期、节能省资源、发挥材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潜力，成为21世纪制造业最为关注的制模技术之一。其中，由于选区激光烧结选材广的特点，利用SLS工艺直接制造金属模具已成为企业开发新产品、快速占领市场的重要手段，是目前各国家研究开发的热点领域之一。
SLS快速制造金属模具主要有以下三种途径，一是单一金属粉末大功率激光烧结成型，利用高功率激光(1000W以上)对金属粉末进行扫描烧结，逐层叠加成型，成型件经表面后处理(打磨、精加工)即完成模具制作；二是混合金属粉末激光烧结成型，成型粉末为二种或二种以上金属粉末的混合体，其中的一种熔点较低，起粘结剂的作用，由于不同熔点的各种金属收缩量不一致，能相互补偿其体积变化，使制件的总收缩量小，并须浸渗后处理；但上述二种方法的金属粉末在激光作用下要熔化，而由于SLS“急熔速冷”烧结的特点，在金属粉末熔融烧结过程中存在球化和烧结收缩现象，由此产生的热应力使烧结件易发生翘曲，烧结件可能存在一些明显的烧结缺陷，致密度也不高，而且所需激光烧结成型机激光功率比较大，粉末烧结过程中易被氧化，需要惰性气体保护，设备昂贵。三是覆膜金属粉末或金属与树脂混合粉末激光烧结成型，通过低功率激光烧结得到金属粘结实体，经脱脂、高温烧结、浸渗低熔点金属后处理，直接形成金属模具；但这类粉末激光烧结件的强度不高，致密度低，烧结件金属浸渗后处理容易出现开裂、变形及浸渗孔洞缺陷等，特别对相互润湿性不好的金属渗透困难，在金属模具方面仍然存在许多技术上的困难，其制造模具的力学性能不高，精度较低，表面质量较差，很难将其直接作为最终模具使用，一般只能作为样件或模具母模使用。特别是目前的铁系金属硬模快速制造技术不成熟、尺寸精度、表面质量、综合机械性能等方面存在问题，离实用化还有相当距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种选区激光烧结快速制造金属模具的方法，它能够快速制备高精度、表面质量好的金属模具。
本发明的目的是这样实现的(1)不同颗粒粒径的金属粉末配比采用二种或二种以上的不同粒径的金属粉末，按不同的质量百分数混合配比，以提高粉床的铺粉密度；(2)SLS用金属成型粉末制备采用常规物理或化学改性的方法对金属粉末进行表面处理，将改性后的金属粉末和多组元粘接剂及润滑剂按比例均匀混合，得到金属成型粉末；(3)SLS成型根据模具成形的要求，设计模具的三维CAD(计算机计辅助设计)模型，并对三维CAD模型进行切片处理，对上述的金属成型粉末进行选区激光烧结成型；(4)焙烧激光烧结件在300-800℃有机粘结剂完全降解烧失，得到以无机粘接剂粘结的制件；(5)真空压力浸渗金属将制件固定在压力容器中的加热器内，然后在制件周围放置浸渗的金属材料，对制件和金属材料进行加热并保持真空状态，当金属温度达到为300-1000℃后，停止抽真空，继续加热至450-1600℃后，充入压缩气体，然后调节渗透压力，就可得到组织致密和高精度的金属模具。
所述金属粉末为铁、钛、镍、铜、铝粉末或其合金粉末的一种。
金属粉末的粒径小于250μm，二种或二种以上的不同的粒径按1∶2-1∶5的质量百分数混合配比。
所述多组元粘接剂为不同熔点的无机粘接剂和有机粘接剂的混合物。
所述无机粘接剂为磷酸二氢铵或磷酸铝，所述有机粘接剂为环氧树脂、尼龙、聚苯乙烯粉或聚丙烯粉。
所述润滑剂为硬脂酸锂、石墨或二硫化钼。
所述金属材料为锌、铝、镁、铜、铁或其合金。
所述压缩气体为压缩空气、氮气或氩气。
在SLS用金属成型粉末制备中还可添加下述填料分散剂和光吸收剂，所述分散剂为滑石粉或白炭黑，所述光吸收剂为炭黑。
激光烧结成形主要由激光功率、扫描速度、铺粉层厚、扫描间距、预热温度等工艺参数决定。采用SLS制备，具有快速、尺寸精度高、性能好、工艺简单、生产成本低的优点。
真空压力浸渗的特点是金属液在真空、等温和压力条件下渗流，在一定压力条件下凝固，其具有良好的渗流和凝固条件，可避免气体和夹杂物的裹入的问题，内部组织致密；金属液在真空压力下渗流，大大提高了熔体的充型能力，渗透时间短，并消除了气体的浇注过程中的有害作用，能获得形态复杂、表面光洁和尺寸精确的金属制件。这种方法制备的金属件致密度高，在性能和稳定性上能得到有效地保证。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进行进一步的详细说明。
实施例1本实施例是选区激光烧结快速制造精铸铜模。
(1)不同颗粒粒径的金属粉末配比二种平均尺寸13μm和65μm的金属Cu粉，按1∶2质量百分数混合配比；(2)SLS用金属铜成型粉末制备采用硅烷偶联剂KH-570对金属铜粉进行表面改性处理，将改性后的金属铜粉和6％磷酸二氢氨粉、8％环氧树脂粉、3％硬脂酸锂粉均匀混合，得到金属铜成型粉末；(3)SLS成型根据模具成形的要求，设计模具的三维CAD模型，并对三维CAD模型进行切片处理，在激光烧结工艺参数为激光功率40W，扫描速度1500mm/s，扫描间距0.1mm，铺粉层厚0.15mm，预热温度100℃，对上述金属铜成型粉末进行选区激光烧结成型；(4)焙烧激光烧结件缓慢加热至500℃，环氧树脂粘结剂完全降解烧失，继续升温至700℃焙烧；(5)真空压力浸渗金属将焙烧后的制件固定在压力容器中的加热器内，然后在制件周围放置浸渗的铝合金，对制件和铝合金进行加热并保持真空状态，真空度小于1KPa，当基体金属温度达到为580℃后，停止抽真空，继续加热至750℃后，充入压缩空气，空气压力为400Kpa，保压10min，炉冷后取出，经细打磨处理，就可得到组织致密和高精度的精铸铜模。
实施例2本实施例是选区激光烧结快速制造注塑钢模。
(1)不同颗粒粒径的金属粉末配比二种平均尺寸20μm和80μm的金属还原铁粉，按1∶3质量百分数混合配比；(2)SLS用金属还原铁成型粉末制备采用硅烷偶联剂KH-570对金属还原铁粉进行表面改性处理，将改性后的金属铁粉和6％磷酸二氢氨粉、5％环氧树脂粉、3％尼龙6粉、3％硬脂酸锂粉、1％炭黑粉均匀混合，得到金属铁成型粉末；(3)SLS成型根据模具成形的要求，设计模具的三维CAD模型，并对三维CAD模型进行切片处理，在激光烧结工艺参数为激光功率42.5W，扫描速度1500mm/s，扫描间距0.1mm，铺粉层厚0.15mm，预热温度105℃，对上述金属铁成型粉末进行选区激光烧结成型；(4)焙烧激光烧结件缓慢加热至550℃，环氧树脂粘结剂和尼龙6粘结剂完全降解烧失；继续升温至700℃焙烧；(5)真空压力浸渗金属将焙烧后的制件固定在压力容器中的加热器内，然后在制件周围放置浸渗的铜合金，对制件和铜合金进行加热并保持真空状态，真空度小于500Pa，当金属铜合金温度达到为780℃后，停止抽真空，继续加热至1050℃后，充入压缩气体，空气压力为300Kpa，保压5min，炉冷后取出，经打磨处理，就可得到组织致密和高精度的注塑钢模。
实施例3本实施例是选区激光烧结快速制造精铸铝模。
(1)不同颗粒粒径的金属粉末配比二种平均尺寸10μm和50μm的金属铝粉，按1∶4质量百分数混合配比；(2)SLS用金属铝成型粉末制备采用硅烷偶联剂KH-570对金属铝粉进行表面改性处理，将改性后的铝粉和5％磷酸二氢氨粉、8％环氧树脂粉、3％硬脂酸锂粉、1％炭黑粉均匀混合，得到金属铝成型粉末；(3)SLS成型根据模具成形的要求，设计模具的三维CAD模型，并对三维CAD模型进行切片处理，在激光烧结工艺参数为激光功率38W，扫描速度1600mm/s，扫描间距0.1mm，铺粉层厚0.15mm，预热温度95℃，对上述金属成型粉末进行选区激光烧结成型；(4)焙烧激光烧结件缓慢加热至550℃焙烧，环氧树脂粘结剂完全降解烧失；(5)真空压力浸渗金属将焙烧后的制件固定在压力容器中的加热器内，然后在制件周围放置浸渗的低熔点锌合金，对制件和锌合金进行加热并保持真空状态，真空度小于100Pa，当基体金属温度达到为320℃后，停止抽真空，继续加热至450℃后，充入压缩气体，然后调节渗透压力，空气压力为300Kpa，保压5min，炉冷后取出，经打磨处理，就可得到组织致密和高精度的精铸铝模。
权利要求
1.一种选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于(1)不同颗粒尺寸的金属粉末配比，采用二种或二种以上的不同粒径的金属粉末，按不同的质量百分数混合配比，以提高粉床的铺粉密度；(2)SLS用金属成型粉末制备采用物理或化学改性的方法对金属粉末进行表面处理，将改性后的金属粉末和多组元粘接剂及润滑剂填料按比例均匀混合，得到金属成型粉末；(3)SLS成型根据模具成形的要求，设计模具的三维CAD模型，并对三维CAD模型进行切片处理，按一定的烧结工艺参数对金属成型粉末进行选区激光烧结成型；(4)焙烧激光烧结件在300-800℃有机粘结剂完全降解烧失，得到以无机粘接剂粘结的制件；(5)金属浸渗采用真空压力浸渗方法，即将制件固定在压力容器中的加热器内，然后在制件周围放置浸渗的金属材料，对制件和金属材料进行加热并保持真空状态，当金属温度达到为300-1000℃后，停止抽真空，继续加热至450--1600℃后，充入压缩气体，然后调节渗透压力，就可得到组织致密和高精度的金属模具。
2.如权利要求1所述的选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于所述金属粉末为铁、钛、镍、铜、铝粉末或其合金粉末的一种。
3.如权利要求2所述的选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于金属粉末的粒径小于250μm，二种或二种以上的不同的粒径按1∶2--1∶5的质量百分数混合配比。
4.如权利要求1所述的选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于所述的多组元粘接剂为不同熔点的无机粘接剂与有机粘接剂的混合物。
5.如权利要求4所述的选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于所述无机粘接剂为磷酸二氢铵或磷酸铝，所述常规有机粘接剂为环氧树脂、尼龙、聚苯乙烯或聚丙烯。
6.如权利要求1所述的选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于所述的润滑剂为硬脂酸锂、石墨或二硫化钼。
7.如权利要求1所述的选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于在SLS用金属成型粉末制备中还可添加下述填料分散剂和光吸收剂，所述分散剂为滑石粉或白炭黑，所述光吸收剂为炭黑。
8.如权利要求1所述的选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于所述金属材料为锌、铝、镁、铜、铁或其合金。
9.如权利要求1所述的选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其特征在于所述压缩气体为压缩空气、氮气或氩气。
全文摘要
本发明公开了一种选区激光烧结快速制造金属模具的方法，其制备工艺为首先采用二种或二种以上的不同粒径的金属粉末，按不同的质量百分数混合配比；再采用物理或化学改性的方法对金属粉末进行表面处理，将改性后的金属粉末、不同熔点的有机树脂与无机物组成的多组元粘接剂和润滑剂填料等按比例均匀混合，得到金属成型粉末，再根据模具成形的要求，设计模具的三维CAD模型，并对三维CAD模型进行切片处理，按一定的烧结工艺参数对金属成型粉末进行选区激光烧结成型，激光烧结件在300－800℃焙烧；最后采用真空压力浸渗方法浸渗金属，可得到组织致密、力学性能和表面质量良好的高精度金属模具，本发明是一种快速制造高精度、耐久金属模具的方法。
文档编号B22F3/105GK1907602SQ20061002976
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月2日 优先权日2006年8月2日
发明者徐志锋, 张坚, 郑玉惠, 蔡长春, 胡美忠 申请人:南昌航空工业学院