CN101291761A - 用于喷射成型金属部件的方法和喷射成型的金属部件 - Google Patents

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Abstract

一种用于喷射成型带有细长开口通道(10，20，22，28)的金属部件(11，17，21，27)的方法，该方法包括首先在沉积基底(2)上喷射成型所期望的金属层(8，19，24)，然后将一细长的喷射阻挡物体(9，18，26，29)放置到已经喷射好的金属层上，以用于形成通道，接下来继续喷射成型工艺直到实现所要求的部件总厚度。按照本发明，该喷射阻挡物体是带(18，26，29)，所述带的横截面轮廓在沿着其横截面的轴线(a)方向上完全敞开，并且所述带被设置在已经沉积的层(8，19，24)上其轴线方向基本平行于入射的金属喷雾(6)的方向。

Description

用于喷射成型金属部件的方法和喷射成型的金属部件
技术领域
本发明涉及通过喷射成型技术制造带有冷却通道的金属部件以及如此制造出的部件。
背景技术
喷射成型是一种独特的凝固工艺，其中熔融金属被惰性气体雾化成10-200微米的液滴，并以亚音速飞到沉积基底上。在飞行过程中，用可控的方式以每秒100至100000度的冷却速率快速冷却液滴，从而金属的凝固并不依赖于类似模具的沉积表面的温度和/或热性能。抵达模具的颗粒处于这样一种情形，即熔接(welding)到已沉积金属的过程是彻底的，并且粒子间的边界不再扩展。因此所形成的高质量材料具有细密的、等轴并且均质的微观结构。在制造高合金金属部件例如模具嵌入件和工具头(tooling head)方面这些特征是尤其显著的。
这种部件通常需要冷却以用于适当的操作和用于防止过热缩短部件的寿命以及有可能导致的损害。传统的冷却通道可以通过加工形成。但是，在通常难以喷射成型的材料中钻出通道是很困难的并且相当费时。已经实践了在喷射成型的过程中，通过在整个工艺的中间阶段在沉积材料上设置金属管来形成冷却通道。在接下来沉积所述结构的最终厚度之后，所述金属管在部件内形成开口通道。
但是，这种方法中出现很多问题。首先，管会产生遮蔽效应，阻碍了喷射的金属沉积到管下面。这就导致在喷雾不能落下的区域中在管下面形成了空隙，从而削弱了冷却效率，并且通常会导致部件受重压、变形甚至破裂。此外，喷射材料的上表面通常与沉积基底的轮廓一致。相反，设置到这种类型表面上的金属管则是刚性的。因此，这一表面中的垂直变化越多，管周围的空腔就越多，因而降低了冷却效率。
发明目的
本发明的目的是提供一种新的用于喷射成型具有冷却通道的金属部件的方法，以及一种新颖的喷射成型的具有冷却通道的金属部件，通过该方法和部件可以减轻如上所述的问题。
发明内容
按照本发明的方法的特征由权利要求1体现。相应地，按照本发明的喷射成型的金属部件的特征由权利要求3体现。
本发明的用于喷射成型带有用于冷却的细长开口通道的金属部件的方法包括首先在沉积基底上喷射形成所期望的金属层，所述沉积基底例如是一陶瓷模具。在喷射成型中，能够采用任何已知的喷射成型工艺，如OspreyTM工艺，由INEEL(美国爱达荷州国家工程和环境实验室)研发的RSP ToolingTM工艺或由Ford Motor公司和牛津大学研发的Ford Rapid Tooling工艺。第一层的厚度例如取决于所制造部件的总厚度、所使用的金属和需要的冷却效率。通过喷射的持续时间控制层的厚度，从而优选形成与沉积基底的表面轮廓一致的基本均匀的厚度。在达到所期望的第一层的厚度后，该方法接下来包括将一细长的喷射阻挡物体放置到已经沉积的层上，以用于形成开口通道。最后，继续喷射成型工艺直到实现所要求的部件总厚度。喷射阻挡表示金属喷射不能穿透喷射阻挡物体。换言之，喷射阻挡物体在金属不能到达的地方形成遮蔽，从而在遮蔽区域中形成细长的开口通道。
按照本发明，该喷射阻挡物体是带，所述带的横截面轮廓在沿着其横截面的轴线方向上完全敞开。这种形式的带被设置在已经沉积的层上，其轴线方向基本平行于金属喷雾的入射方向。在所述轴线方向上完全敞开表示横截面轮廓在这一方向上没有凹口。换言之，即当沿着所述轴线的方向从带的任一侧看过去时，带的相应表面能够被完全看到。从入射的金属喷雾的方面看，这表明当按照权利要求所限定的指示时，与通道本身的体积相比，带不会产生其它的遮蔽。金属喷雾的入射方向表示沿着通常为锥形喷雾的中心轴线方向。
通过该方法还实现了几个重要的进步。相比于现有技术中的解决方案，通道下边界由首先沉积的层本身的表面限定而成。因此，在通道中流动的冷却剂直接接触到部件主体，改善了冷却剂和部件之间的热连接。此外，通道边界能够与所述表面的高度变化自动一致。而且，如上所述，完全敞开的轮廓可防止在通道周围形成任何有害的间隙或气孔。所有的这些特征能够共同有效冷却整个部件。
在本发明的一个优选实施方案中，带的横截面轮廓为敞开的弧形，例如半圆形，并且所述带被放置到已经沉积的层上，其弧形的凸起侧朝向入射的金属喷雾，从而在带的凹入侧中形成通道。这些具有弯曲横截面的带能够例如通过分开圆形管道而被容易地制造出来。弧形还应当具有相当坚硬的形状以便能够使带相当薄。不过，在权利要求限定的一个方向中完全敞开的任何轮廓都是可行的。因此，带的轮廓例如能够是三角形或矩形的三条边。甚至还能够使用平面状的带。
按照本发明的喷射成型的金属部件具有细长的开口通道。按照本发明，通道的横截面边界的一部分由与通道周围的部件主体紧密接触的细长的带限定而成，同时该横截面边界的其余部分由部件主体本身限定而成。紧密接触是指在通道周围没有间隙或气孔。此外，作为通道边界一部分的部件主体能够在通道中的冷却剂和部件之间提供直接的热连接。
带优选具有敞开的弧形的横截面轮廓，例如半圆形。这种形状的截面能够使如上所述的部件的制造更容易。
本发明的金属部件例如能够是一模具嵌入件、工具或其它需要通过喷射成型工艺实现的需要较高材料质量的部件。例如是在升高的温度下使用的工具，例如用于压铸、注塑、吹塑和热加工的工具。增强了的冷却不但改善了部件的使用寿命，而且通过减少部分循环时间提高了生产率。例如，在塑料的注塑过程中，相比于标准的冷却实践，随形冷却已经表明减少了15-50％的部分循环时间。
附图说明
附图及其描述解释了本发明的原理，其中所包含的附图提供对本发明更深入的理解，其构成了说明书的一部分。
图1示出了用于喷射成型出具有冷却通道的金属部件的基本配置的示意图。
图2a和2b表示出现有技术中喷射成型的金属部件和按照本发明喷射成型的部件之间的比较。
图3a和3b示出了按照本发明制造的冷却通道。
图4示出了按照本发明喷射成型的金属部件的示例。
具体实施方式
现在将对附图中示出的本发明的实施例和示例进行详细说明。
图1的布置示出了喷射成型具有冷却通道的金属部件的方法。将要喷射到陶瓷模具2上的熔融金属1从加热的贮液器3通过喷嘴4和喷雾器5供给，其中在喷雾器5处，金属与冷却的惰性气体混合，形成喷向模具的快速冷却金属液滴的喷雾6。在模具2中，金属沉积成具有细密均质的微观结构，其形成近乎网状的部件表面7。模具2可相对于喷嘴4水平移动以便整个模具表面都被喷雾6覆盖。如图所示，具有基本一致厚度的层8增长后，细长的遮蔽物体9被设置在所述层上，从而在继续喷射过程中在喷射结构11内形成开口通道10。
图2a和2b示出了现有技术中的解决方案和本发明之间的实质性区别。图2a示出了部件12一部分的截面，其中在该过程的中间阶段通过在喷射的金属表面15上设置圆管14形成冷却通道13。由于遮蔽效应，在进一步喷射的过程中，在管道14两侧的下面形成了空隙16，导致冷却效率下降。相反，在图2b所示部件17的一部分中，具有半圆形截面的细长形带18被用在第一沉积层19上，用于在该结构中形成冷却通道20。半圆形的假想的中心轴线“a”沿着金属喷射的方向指向，其凸出侧朝向进入的喷雾。因此，该通道边界的上部由带18的底部形成，同时首先喷射的金属层19的表面本身限定出边界的下部。因为带18的截面轮廓完全向下敞开，即沿着喷射过程中远离入射喷雾的方向，所以不会在通道周围形成空腔或间隙，而是带的顶部与周围的部件主体形成紧密接触。因此，能够实现有效的冷却效果。
图3a和3b分别是喷射成型的带有冷却通道22的部件21的纵截面视图和横截面视图。部件具有由模具的中空部限定形成的底部凸起23，其中所述部件就沉积在其上。在首先自然喷射的层24的顶面具有对应于凸起23的中空部25。在继续该过程之前，将具有半圆形横截面的细长的喷射封带26放置到首先喷射的层24上，该喷射封带26的凸起的上部朝向金属喷雾的入射方向。如此在封带26底侧之下形成通道26。因为通道边界的下部是由首先喷射的层24本身限定而成，所以通道26的底部与在中空部24处的该层的表面一致。换言之，即冷却通道26可调节本身以适应模具表面的垂直变化，从而确保了整个部件21的有效的冷却能力。相反，在现有技术中，使用管道作为形成遮蔽物体的通道，中空部将导致在通道下面形成了空的容积，从根本上削弱了部件主体和冷却通道26中的冷却剂之间的热连接。
图4示出了喷射成型的模具嵌入件27。通过使用2mm宽的线29作为喷射阻挡物体在该模具嵌入件27中形成冷却通道28。
对于掌握着技术进步的本领域技术人员而言，显然可以以不同的方式实现本发明。因此，本发明及其实施方案并不限于如上所述的实施例；而是可以在权利要求的范围内对其进行改变。

Claims (4)

1.一种用于喷射成型金属部件(11，17，21，27)的方法，所述金属部件带有细长开口通道(10，20，22，28)，该方法包括首先在沉积基底(2)上喷射形成所需金属层(8，19，24)，然后将细长的喷射阻挡物体(9，18，26，29)放置到已经喷射的金属层上，以用于形成通道，然后继续喷射成型工艺直到实现部件所需的总厚度，
其特征在于该喷射阻挡物体是带(18，26，29)，所述带的横截面轮廓在沿着其横截面轴线(a)方向上完全敞开，并且所述带被设置在已经沉积的层(8，19，24)上，所述轴线基本平行于入射金属喷雾(6)的方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述带(18，26)的横截面轮廓为敞开的弧形，所述带被设置在已经沉积的层(19，24)上，其弧形的凸起侧朝向入射的金属喷雾(6)。
3.一种带有细长开口通道(10，20，22，28)的喷射成型的金属部件(11，17，21，27)，其特征在于所述通道(10，20，22，28)的横截面边界的一部分由与通道周围的部件主体(11，17，21，27)紧密接触的细长的带(18，26，29)限定而成，同时该横截面边界的其余部分由部件主体本身限定而成。
4.根据权利要求3所述的喷射成型的金属部件，其特征在于所述带(18，26)的横截面轮廓为敞开的弧形。
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