一种增减材制造雕刻刀模的方法及其系列3D打印金属粉与流程

本发明属于刀模成型制造技术领域，涉及一种增减材制造雕刻刀模的方法及其系列3d打印金属粉，特别涉及一种基于金属3d打印及高精度自动化雕刻技术的增减材制造雕刻刀模的方法及其系列3d打印金属粉。

背景技术：

模具在当代工业生产领域起到举足轻重的作用，工业生产上的注塑、吹塑、挤出、压铸或锻压成型、冶炼、冲压等方法都需要使用到模具，主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工，素有“工业之母”的称号。刀模是在模切行业中比较常用的产品，一般用于冲压出所需的模切产品的形状，在印刷包装、塑料包装、皮革、玩具、汽车、手机外壳、柔性线路板等方面有着重要应用，借助刀模能够使产品进行高效的批量化生产，避免了逐一制造的低效问题。刀模主要分为激光刀模、雕刻刀模、铝板刀模、蚀刻刀模、模切刀模、清废刀模等，其中雕刻刀模与激光刀模最为常用，并且刀模精度较高，使用寿命较长。激光刀模主要利用激光的强能量性对刀模板进行高深度烧蚀，从而达到安装切割刀的目的。激光刀模切割机加工刀模工艺具有设计简单、误差小、工作效率高。相对于激光刀模，雕刻刀模的精度更高，可控制在±0.03mm，而激光刀模的精度在±0.1mm。雕刻刀模的性能优异，可承受跟高的冲压次数，而且可以多次补修刀锋。但因为它的精度高、不易变形等优点，是刀膜成型较好的方法。

雕刻刀模基板一般采用的是平面基板，通过在被加工材料上逐一冲击来进行生产作业，为了进一步提高生产效率，平面基板逐渐被圆柱形基板所取代，即在圆柱形基板的拱面上加工出刀锋，这类雕刻刀模称为(圆刀)，通过滚动“印刷”的方式对加工材料进行加工生产，滚动式作业效率远远高于逐一冲击的工作效率。但雕刻刀模的加工时间比激光刀模要多2倍以上，传统雕刻刀模要进行基板线切割包括外形的线切割与落料孔的加工，之后还要进行数控机床粗加工，数控机床根据设计好的刀模模型将刀锋部分从整个切削出来(可以加工到刀线宽为0.5mm)，即使刀模的模具初始刀锋能够以浮雕的形式凸显在基板上，为后期精加工的刀锋的锋利度与刀锋侧面的光洁度提供基础；随后需要通过连续作业对初始雕刻刀模进行多次真空高温热处理，使初始刀模的硬度进行提升(不小于50hrc)；最后再使用数控加工机床对处理后的初始刀模进行精细加工，进行最后的刀锋成型加工，使刀模的刀锋锋利、表面光洁，最终得到雕刻刀模成品。初始刀锋形成过程需要将非刀锋位置的区域完全清除，一方面大面积的清除造成材料的大量浪费，加工难度与周期也因此变长。另一方面，大量的切削清除造成了工作环境较差。同时为了能够使刀模达到理想硬度必须对初始刀模进行多次高温热处理，并且高温热处理周期较长，热处理过程大大增加了雕刻刀模的制备周期，热处理操作过程较为严格，给雕刻刀模制作过程增加了难度。

金属3d打印是近年来发展很快的一个方向，在增材制造领域的具有很高的应用价值，目前不少金属3d打印设备都能够生产强固化型结构器件、应力件和功能件，成为3d打印领域中最有可能直接用于制造的技术，其应用领域遍及航空航天、医疗保健、仪器制造、电子行业等。金属3d打印分为选择性激光烧结技术(sls)，选择性激光熔化技术(slm)，直接金属激动烧结技术(dmls)，以及激光工程净化成型(lens)、激光粉末成型(lpf)等。其中选择性激光熔化技术(slm)与及激光工程净化成型(lens)在金属3d打印领域取得了很好的成效，slm是通过将粉体材料铺层在工作台上，并将材料加热到一定温度，然后使用高能激光束将粉体材料熔化，熔覆材料与基体形成很强的冶金结合，而未被扫描到的粉体材料仍成粉末状作为工件的支撑，一层扫描完成之后，工作台下降一个层高，并进行下一层铺粉，重复上述过程完成三维成型。选择性激光熔化技术(slm)具有较高的精度，密实度可达100％，适用于复杂、高性能金属器件，并且具有很高的成型速度与成型效率。激光工程净化成型(lens)与选择性激光熔化技术(slm)不同，激光工程净化成型(lens)工艺中，激光照射喷嘴输送的粉末流，即激光与输送粉末同时工作，将熔覆材料直接送入激光中，因此不需要slm装有粉体的工作平台。lens也拥有着较高的成型精度，也适用于复杂的高性能的金属三维成型，同时也能够保证较好的成型效率。

通过金属3d打印技术将可调配的高硬度金属粉末通过熔覆原理使熔覆层熔覆在基板上形成初始刀锋，再将熔覆层构成的初始刀锋进行数控机床精加工即可完成雕刻刀模制造过程。全自动化的高精度控制体系为雕刻刀模的精度提供有力保障。通过金属3d打印熔覆形成的初始刀锋避免了缩小了制作成本与制作周期，降低了环境污染。熔覆初始刀锋的高硬度特性，无需进行多次真空热处理的操作来提高其硬度，这一过程不但进一步缩短加工周期，也使得加工成本得以降低。

本发明提出的一种基于金属3d打印及高精度自动化雕刻技术的增减材制造雕刻刀模的方法及其系列3d打印金属粉是一种经济、高效、环保的雕刻刀模制造技术方法，在保证刀模所需的各项性能的同时，减少了原料浪费及制作周期，避免了操作复杂、操作难度过大的问题。为雕刻刀模成型提供了更为理想的方法，拥有着很高的市场应用前景与市场价值，并且对于雕刻刀模的制造技术创新与金属3d打印的应用有着重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种工艺简单、经济高效、环保的增减材制造雕刻刀模的方法及其系列3d打印金属粉。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种增减材制造雕刻刀模的方法，包括以下步骤：

(1)根据雕刻刀模性能需求，调配相应的3d打印金属粉原料；

(2)根据雕刻刀模结构，使用建模软件设计雕刻刀模的数字化模型；

(3)根据雕刻刀模尺寸，完成基板加工；

(4)将数字化模型导入金属3d打印设备，利用金属3d打印在基板上完成雕刻刀模的熔覆层初始刀锋；

(5)根据数字化模型对步骤(4)所得雕刻刀模的熔覆层初始刀锋进行高精度雕刻加工，完成刀锋的最终成型。

优选的，步骤(1)中，所述3d打印金属粉原料为合金元素成分可调的微米级3d打印用球形粉，该球形粉为铁基合金体系、镍基合金体系、铁基-碳化钨体系、镍基-碳化钨体系中的任意一种；

所述铁基合金体系选自a、b、c、d组中的任意一种；

其中，a组由以下原料按重量百分比组成：碳0.10～2.60％，硅1.00～1.60％，锰0～2.0％，铬15.11～24.00％，钨0～6.75％，镍0～2.50％，硼0～2.00％，铁为余量，各原料百分比之和为100％；制成的铁基合金硬度可达60hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

b组由以下原料按重量百分比组成：碳0.8％～1.20％，硅>0.30％，锰>0.30％，硫≥0.03％，磷≥0.03％，铬3.40％～4.60％，钒0.85％～1.41％，钨1.10％～1.90％，钼9.00％～10.00％，钴7.70％～8.40％，铁为余量，各原料百分比之和为100％；制成的铁基合金硬度可达60hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

c组由以下原料按重量百分比组成：碳0.80％～1.20％，硅≥0.20％，锰0.15％～0.40％，硫0～0.03％，磷0～0.03％，铬3.70％～4.50％，钒1.75％～2.30％，钨5.40％～6.80％，钼4.50％～5.60％，钴0.80％～5.50％，铁为余量，各原料百分比之和为100％；制成的铁基合金硬度可达60hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

d组由以下原料按重量百分比组成：碳0.90％～1.01％，硅0.90％～1.5％，锰0.30％～0.33％，铬7.91％～8.01％，钒0.21％～2.81％，钼1.90％～2.01％，铁为余量，各原料百分比之和为100％；制成的铁基合金硬度可达60hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

所述镍基合金体系由以下原料按重量百分比组成：碳0.10％～0.82％，硅2.50％～4.50％，硼0.50％～3.60％，铁2.10％～26.03％，铬5.30％～18.00％，镍为余量，各原料百分比之和为100％；制成的镍基合金硬度可达55hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

所述铁基-碳化钨体系由以下原料按重量百分比组成：所述铁基合金体系70％～95％，碳化钨5％～30％，各原料百分比之和为100％；制成的合金硬度可达70hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

所述镍基-碳化钨体系由以下原料按重量百分比组成：所述镍基合金体系70％～95％，碳化钨5％～30％，各原料百分比之和为100％；制成的合金硬度可达65hrc以上，合金无气孔，无裂纹。

优选的，步骤(2)中，所述建模软件采用solidworks、cad中的任意一种。

优选的，所述步骤(3)中的基板加工、步骤(5)中的高精度雕刻加工，都是通过高精度数控机床完成的，加工精度为1μm。

优选的，步骤(3)中，所述基板为金属平面基板或者圆柱形基板。

优选的，步骤(4)中，所述金属3d打印包括选择性激光熔化技术(slm)、激光工程净化成型(lens)中的任意一种。

在本发明中，通过金属3d打印在基板上可形成各种形貌及尺寸的熔覆层(线型，面型)，并且熔覆层可叠加(即多道次熔覆)，通过模型控制在基板形成熔覆层初始刀锋，并且确保通过金属3d打印形成的初始刀锋具有较高的硬度特性。

进一步，所述选择性激光熔化技术的打印精度为0.1mm；所述激光工程净化成型的打印精度为0.2mm。

本发明还提供一种合金元素成分可调的微米级3d打印用球形粉，该球形粉为铁基合金体系，所述铁基合金体系选自a、b、c、d组中的任意一种；

其中，a组由以下原料按重量百分比组成：碳0.10～2.60％，硅1.00～1.60％，锰0～2.0％，铬15.11～24.00％，钨0～6.75％，镍0～2.50％，硼0～2.00％，铁为余量，各原料百分比之和为100％；制成的铁基合金硬度可达50hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

b组由以下原料按重量百分比组成：碳0.8％～1.20％，硅>0.30％，锰>0.30％，硫≥0.03％，磷≥0.03％，铬3.40％～4.60％，钒0.85％～1.41％，钨1.10％～1.90％，钼9.00％～10.00％，钴7.70％～8.40％，铁为余量，各原料百分比之和为100％；制成的铁基合金硬度可达50hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

c组由以下原料按重量百分比组成：碳0.80％～1.20％，硅≥0.20％，锰0.15％～0.40％，硫0～0.03％，磷0～0.03％，铬3.70％～4.50％，钒1.75％～2.30％，钨5.40％～6.80％，钼4.50％～5.60％，钴0.80％～5.50％，铁为余量，各原料百分比之和为100％；制成的铁基合金硬度可达60hrc以上，合金无气孔，无裂纹；

d组由以下原料按重量百分比组成：碳0.90％～1.01％，硅0.90％～1.5％，锰0.30％～0.33％，铬7.91％～8.01％，钒0.21％～2.81％，钼1.90％～2.01％，铁为余量，各原料百分比之和为100％；制成的铁基合金硬度可达50hrc以上，合金无气孔，无裂纹。

本发明还提供一种合金元素成分可调的微米级3d打印用球形粉，该球形粉为镍基合金体系，所述镍基合金体系由以下原料按重量百分比组成：碳0.10％～0.82％，硅2.50％～4.50％，硼0.50％～3.60％，铁2.10％～26.03％，铬5.30％～18.00％，镍为余量，各原料百分比之和为100％；制成的镍基合金硬度可达55hrc以上，合金无气孔，无裂纹。

本发明还提供一种合金元素成分可调的微米级3d打印用球形粉，该球形粉为铁基-碳化钨体系，由以下原料按重量百分比组成：所述铁基合金体系70％～95％，碳化钨5％～30％，各原料百分比之和为100％；制成的合金硬度可达70hrc以上，合金无气孔，无裂纹。

本发明还提供一种合金元素成分可调的微米级3d打印用球形粉，该球形粉为镍基-碳化钨体，由以下原料按重量百分比组成：所述镍基合金体系70％～95％，碳化钨5％～30％，各原料百分比之和为100％；制成的合金硬度可达65hrc以上，合金无气孔，无裂纹。

本发明中，通过金属3d打印技术将可调配的高硬度金属粉末通过熔覆原理使熔覆层熔覆在基板上形成初始刀锋，再将熔覆层构成的初始刀锋进行数控机床精加工即可完成雕刻刀模制造过程。

本发明的有益技术效果：

与传统雕刻刀模制造相比，一方面，金属3d打印技术具有全自动化的高精度控制体系，保证整个过程高效准确的运行，进而为雕刻刀模的精度提供有力保障；另一方面，通过金属3d打印熔覆形成的初始刀锋避免了传统初始刀锋成型的切削过程，大大降低了加工成本与加工周期，也避免了对环境的过度破坏；同时，熔覆层内部组织致密，并且熔覆材料与基体形成很强的冶金结合，这种致密型的结合作用结合强度(400～1600mpa)远高于电镀(8～12mpa)与喷涂(6～8mpa)，保证了刀锋与基板的可靠结合。金属3d打印形成初始刀锋过程属于快速淬火，因此初始刀锋其自身在打印完成后就具有了高硬度的特性，避免了传统雕刻刀模多次真空热处理的操作，使得雕刻刀模的制备周期进一步大大缩短，加工成本也随之而降。

本发明提出的一种基于金属3d打印及高精度自动化雕刻技术的增减材制造雕刻刀模的方法及其系列3d打印金属粉，是一种经济、高效、环保的雕刻刀模制造技术方法，能够在继承传统雕刻刀模优异的性能的同时，避免了传统雕刻刀模的操作原料浪费严重、难度大、周期长等弊端，为雕刻刀模成型提供了更为理想的方法，拥有着很高的市场应用前景与市场价值，并且对于雕刻刀模的制造技术创新与金属3d打印的应用有着重要意义。

附图说明

图1为平面基板上的刀模的熔覆层初始刀锋与最终刀锋模拟图；

图中：10-平面基板；11-熔覆层初始刀锋；12-平面基板加工孔；13-平面基板最终刀锋。

图2为圆柱形基板基板上的刀模的熔覆层初始刀锋与最终刀锋模拟图；

图中：21-熔覆层初始刀锋；22-圆柱形基板；23-圆柱形基板最终刀锋。

图3为平面基板初始刀锋的实物图。

图4为平面基板初始刀锋的截面图。

图5为平面基板最终刀锋的实物图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1

本实施例一种增减材制造雕刻刀模的方法，包括以下步骤：

步骤1、根据雕刻刀模性能需求，调配相应的3d打印金属粉原料-铁基合金体系，将铁基合金体系微米粉末使用干燥箱进行烘干操作，祛除微米粉体内部水分；

铁基合金体系：

a组—80.74％fe；0.13％c；1.09％si；15.44％cr；1.43％ni；1.17％b；

b组—74.38％fe；1.11％c；0.71％si；0.53％mn；0.04％s；0.04％p；3.72％cr；1.21％v；1.31％w；9.32％mo；7.63％co；

c组—80.98％fe；0.81％c；0.31％si；0.27％mn；4.31％cr；2.00％v；5.67％w；4.66％mo；0.99％co；

d组—87.49％fe；1.00％c；0.91％si；0.32％mn；8.00％cr；0.28％v；2.00％mo；

步骤2、根据雕刻刀模结构，使用solidworks设计雕刻刀模的数字化模型；

步骤3、按照数字化模型，通过高精度数控机床完成基板加工，加工精度为1μm，将加工处理后的基板进行打磨，通过砂纸打磨修复基板平面，使基板平面平整光滑，基板修整完后进行清洗并进行烘干；

步骤4、将烘干的粉体材料分别放入金属3d打印设备的供料系统和成型平台位置，将数字化模型导入lens设备(型号：ldm8060)，利用slm技术在基板上完成雕刻刀模的熔覆层初始刀锋，打印精度为0.1mm；

步骤5、将基板移至时高精度数控机床，按照数字化模型完成最终的刀锋成型，进而完成雕刻刀模制造过程，图1为平面基板上的刀模的熔覆层初始刀锋与最终刀锋模拟图。

检测刀模结果：a组分硬度：50～65hrc，结合力可达1100mpa以上，无气孔，无裂纹；

b组分硬度：50～70hrc，结合力可达1000mpa以上，无气孔，无裂纹；

c组分硬度：60～90hrc，结合力可达900mpa以上，无气孔，无裂纹；

d组分硬度：50～60hrc，结合力可达700mpa以上，无气孔，无裂纹。

实施例2

本实施例一种增减材制造雕刻刀模的方法，包括以下步骤：

步骤1、根据雕刻刀模性能需求，调配相应的3d打印金属粉原料-镍基合金体系，将镍基合金体系微米粉末使用干燥箱进行烘干操作，祛除微米粉体内部水分；

镍基合金体系：e组分—79.36％ni；0.65％c；3.88％si；2.31％b；2.87％fe；10.93％cr；

步骤2、根据雕刻刀模结构，使用solidworks设计雕刻刀模的数字化模型；

步骤3、按照数字化模型，通过高精度数控机床完成基板加工，加工精度为1μm，将加工处理后的基板进行打磨，通过砂纸打磨修复基板平面，使基板平面平整光滑，基板修整完后进行清洗并进行烘干；

步骤4、将烘干的粉体材料分别放入金属3d打印设备的供料系统和成型平台位置，将数字化模型导入lens设备(型号：ldm8060)，利用slm技术在基板上完成雕刻刀模的熔覆层初始刀锋，打印精度为0.1mm；

步骤5、将基板移至时高精度数控机床，按照数字化模型完成最终的刀锋成型，进而完成雕刻刀模制造过程，图2为圆柱形基板上的刀模的熔覆层初始刀锋与最终刀锋模拟图。

检测刀模结果：e组分硬度可达62hrc，结合力可达600mpa以上，无气孔，无裂纹。

实施例3

本实施例一种增减材制造雕刻刀模的方法，包括以下步骤：

步骤1、根据雕刻刀模性能需求，调配相应的3d打印金属粉原料，将原料粉末使用干燥箱进行烘干操作，祛除微米粉体内部水分；

f组分铁基-碳化钨体系组分—80％a组分铁基合金体系、20％wc；

g组分镍基-碳化钨体系组分—80％e组分镍基合金体系、20％wc；

步骤2、根据雕刻刀模结构，使用solidworks设计雕刻刀模的数字化模型；

步骤3、按照数字化模型，通过高精度数控机床完成基板加工，加工精度为1μm，将加工处理后的基板进行打磨，通过砂纸打磨修复基板平面，使基板平面平整光滑，基板修整完后进行清洗并进行烘干；

步骤4、将数字化模型导入lens设备(型号：ldm8060)，利用lens技术在基板上完成雕刻刀模的熔覆层初始刀锋，打印精度为0.2mm，得到的平面基板初始刀锋的实物图如图3～4所示；

步骤5、将基板移至时高精度数控机床，按照数字化模型完成最终的刀锋成型，进而完成雕刻刀模制造过程，图5为所得平面基板最终刀锋的实物图。

检测刀模结果：f组分铁基-碳化钨体系组分硬度：可达80hrc，结合力可达400mpa以上，无气孔，无裂纹。

g组分镍基-碳化钨体系组分硬度：可达75hrc，结合力可达400mpa以上，无气孔，无裂纹。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。