CN102151827A

CN102151827A - 一种高精度的微金属模具快速成型制造方法

Info

Publication number: CN102151827A
Application number: CN 201110061876
Authority: CN
Inventors: 朱海红; 殷杰; 柯林达
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了一种高精度微型金属模具的制作方法。它采用激光微快速成型技术制造微型金属模具，再采用微整形技术对微型金属模具进行整形，使之达到高精度。本发明克服了传统微型金属模具三维成型能力不足以及精度不高的难题。本发明采用激光微快速成型技术对微型金属模具成型，三维制造能力强，能直接制造具有任意形状的微型金属模具；采用微整形技术对其进行后续加工，可以得到任意形状的高精度的微型金属模具。

Description

一种高精度的微金属模具快速成型制造方法

技术领域

本发明属于激光快速成型技术领域，具体涉及一种高精度的微金属模具快速成型制造方法，本发明主要用于精度要求高的、批量少的微型金属模具应用。

背景技术

随着微系统的迅猛发展，微型模具的应用越来越广泛，微金属模具熔点高、硬度高、耐磨性好，因而寿命长，加工成本低，可加工温度高，特别适合微型零件的制造，具有广阔的应用前景。

目前常用的微型金属模具的制作方法主要有三类。一是采用MEMS加工工艺与电铸法相结合。这些方法都是先制作一个母版，得到三维微结构，然后在母版上电铸或电沉积一层厚度在几十到几百微米的金属(通常是Ni)，从而得到金属微模具。采用这两种方法制作出来的模具表面质量好、精度高，但是由于金属层的厚度有限，因而三维加工能量有限，模具机械强度低，寿命较短，此外制作母版需要光刻和刻蚀等工艺。

二是从传统的机加工技术和数控技术发展而来的、基于去除材料原理的微机械加工方法。如微电火花加工、微铣削、微挤压、微线切割等等，该类方法虽然也可以得到较高表面质量、高精度和高空间分辨率的微金属模具，但是三维加工能力有限，无法制作具有随行冷却水道的模具。

三是从快速成型技术发展而来的微快速成型技术。它是结合当今世界上最先进的材料、CAD/CAM、精细加工工艺等技术，采用分层制造、逐层叠加的原理，从CAD模型直接制造具有一定功能的微零件，具有速度快、灵活、能加工任意形状等显著优点，在MEMS、模具、航空、航天、医药等行业得到了广泛关注。目前三维印刷术(3DP)、熔融沉积制造(FDM)、光固化和微立体光刻等都已经成功运用到微细结构的加工中。但是这些加工方法都无法直接制造微金属模具。基于金属薄片叠加(sheet lamination)技术可以制造微金属模具，这种技术空间分辨率和精度主要取决于金属薄片的厚度，通常金属薄片的厚度在几十微米，因而制作的零件空间分辨率特别是侧面分辨率有限。另外一种是采用二维喷镀或溅射，然后层层叠加，该方法可以得到较高精度和空间分辨率金属零件，但是金属层与衬底的结合强度低、速度慢，效率低。

激光微成型技术可以很方便地从金属粉末和CAD模型直接制造微型金属模具。由于无需模具，直接从CAD计算机模型和金属粉末制造，因而可以实现快速制造；由于基于层层叠加的“加成法”，因而可以制造任意形状的微型模具；由于采用的是相干性很好的激光，可以聚焦成微小光斑，因而可以得到空间分辨率很高的微型模具。但是，采用激光微成型的制造的微模具的精度和表面粗糙度只能达到微米量级，这种精度和表面质量对于微型模具是不够的。而目前还没有很好的方法来对微模具进行整形和抛光，特别是对于复杂的模具内腔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微金属模具快速成型制造方法，采用该方法可以制作任意形状的高精度微金属模具。

本发明提供的一种微金属模具快速成型制造方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)根据所需模具的几何形状，用计算机软件对其三维图形进行切片，得到激光平面扫描轮廓信息；

(2)在基底材料上预镀覆一层金属粉末混合物作为过渡层，该金属粉末与所需的模具材料粉末之间具有良好的润湿性；

(3)在上述过渡层上预置一层模具材料金属粉末，采用聚焦成微小光斑的激光束对上述金属粉末进行扫描，使金属粉末熔化或者部分熔化从而形成一层；

(4)在上述成型的层上多次重复上述预置和扫描过程，直至在过渡层上形成微型金属模具初坯；

(5)去除基底材料，得到微型金属模具初坯；

(6)对微型金属模具初坯进行整形，得到微型金属模具。

本发明将基于分层制造的激光快速微成型技术和微整形技术相结合，制造任意形状的高精度微金属模具。相对于其它方法制作的微型金属模具，本发明制作的微型金属模具可以加工成任意三维形状，而且可以从CAD模型直接制造，无需模具，因而制作工艺更简单更方面。相对于单纯的激光微成型技术制造的微型金属模具，本发明提供的方法制作的微型金属模具精度更高，表面光洁度更高。

附图说明

图1是高精度微型金属模具制造过程流程图；

图2是微型金属模具去除基底前的结构示意图；

图3是激光微烧结金属模具初坯的流程图；

图4是微整形技术原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明作进一步详细的说明。

首先采用激光微快速成型技术对微型金属模具成型：首先对模具的三维CAD模型进行切片，得到每层的平面轮廓扫描信息；在基底材料上预镀覆一层金属粉末混合物作为过渡层；该金属粉末可以与所需的模具材料粉末一样，也可不一样，但是两者之间需有良好的润湿性(如润湿角小于90°)；然后在预涂过渡层的基底材料上铺设一层金属粉末，该金属粉末可以是单种金属粉末，也可以是多种金属粉末混合物。再采用具有微小光斑(通常是指尺寸在数微米至数十微米)的激光对金属粉末进行扫描，层层叠加，得到微型金属模具。然后采用微整形技术对微型金属模具进行整形，提高精度，从而的高精度高表面质量的微型模具。由于采用了激光微快速成型工艺，因而能够直接制作任意形状的三维微型金属模具；由于采用了微整形技术，因而能够得到高表面质量高精度的微型金属模具。

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的制作方法包括四大过程：基底材料表面铺设过渡层、激光微烧结金属模具、基底去除和微整形。如图1所示：首先在基底上预涂覆一层厚度在0.01-0.5mm厚的金属粉末过渡层；其次进行激光微快速成型工艺，得到微型微金属实体。由于烧结用激光光斑和粉末颗粒很小，所烧结的金属实体空间分辨率可以很小，从而烧结微型模具；然后分离基底，得到的微型金属模具经微整形后可得到高精度和高表面质量的微型金属模具。

如图2所示，本发明采用激光微快速成型技术后得到的微型金属模具在去除基底前由三层组成：基底1、过渡层2及模具初坯3。首先在基底1上预镀覆一层厚度约0.01mm-0.5mm厚的金属粉末作为过渡层2。这种金属粉末可以是一种金属粉末也可以是多种金属粉末的混合物，可以与模具材料一样也可以不一样，但是两者之间必须有较好的润湿性能。这些金属粉末有较好的机械力学性能，如Cu、Fe、不锈钢、Al、Mn、Ni及其合金及混合物等。镀覆方法可以是热喷度、电化学、磁控溅射、真空镀膜等方法。

如图2所示的模具初坯3是按照图3的流程制造出来的。如图3所示，在过渡层2上预置0.01-0.5mm厚的金属粉末，然后采用功率为1W-200W，扫描速度为1mm/s-1000mm/s，光斑大小为2μm～100μm的激光扫描金属粉末；由于吸收了激光能量，激光辐照区粉末的温度升高，当激光功率密度足够大时，金属粉末熔化或者部分熔化；当激光移走后，这些熔化的金属凝固从而形成微模具初坯的一层。重复该过程，层层叠加，得到微型金属模具初坯3。由于激光光斑很小，因此可以得到空间分辨率极高的微型金属模具初坯。预置的金属粉末有较好的机械力学性能，如Cu、Fe、不锈钢、Al、Mn、Ni及其合金及混合物等，适合做金属模具。

通过分离技术去除基底和过渡层2，从而得到微型金属模具初坯3。该微型金属模具初坯3再使用微整形技术对其进行整形。微整形可以是激光微整形、等离子体微整形、微机械加工以及其他微整形技术。通过去除不光滑的表面，得到好的表面质量；通过修整多余的部分，从而得到高精度的模具；由于整形的空间分辨率高，因而可以得到很高的精度。如图4所示，一带随形冷却水道9的微型金属模具初坯3已经由激光微快速成型技术完成。激光器4发出的0.1W-100W的激光经光学转换系统5后由光纤6及光纤头部的聚焦透镜7聚焦成2μm～30μm的微小光斑，该高功率密度的激光以0.1mm/s～100mm/s的扫描速度辐照到已经成型的微型金属模具初坯3上，对模具初坯3的内腔8进行整形，从而提高内腔8的精度和表面质量。微型金属模具初坯3在工作台10的带动下实现平动和转动，从而使得激光微整形完成，得到高精度个高表面质量的微型金属模具。

实例1：

在不锈钢基底1上采用热喷涂技术喷涂一层厚度约0.1mm的过渡层2，喷涂粉末可以跟模具粉末一样；在过渡层2上预置一层厚度为0.1mm厚的不锈钢粉末，该金属粉末为适合做模具材料的粉末；采用功率为10W，扫描速度为50mm/s，光斑大小为50μm的激光扫描金属粉末；由于吸收了激光能量，激光辐照区粉末的温度升高，当激光功率密度足够大时，金属粉末熔化或者部分熔化；当激光移走后，这些熔化的金属凝固从而形成微模具初坯的一层。重复该过程，层层叠加，得到微型金属模具初坯3。

通过分离技术如激光切割技术得到微型金属模具初坯3。采用激光微整形技术对微型金属模具初坯3进行整形。采用2W、聚焦成1Oμm、的微小光斑的激光以扫描速度为10mm/s辐照到微型金属模具初坯3上，对模具初坯3的内腔8进行整形，通过去除不光滑的表面，得到好的表面质量；通过修整多余的部分，从而得到高精度的模具。

实例2-4

其流程如实例1，工艺参数如下表所示。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种微金属模具快速成型制造方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(5)去除基底材料，得到微型金属模具初坯；

(6)对微型金属模具初坯进行整形，得到微型金属模具。

2.根据权利要求1所述的一种微金属模具快速成型制造方法，其特征在于，过渡层的厚度为0.01mm-0.5mm，所采用的金属粉末为Cu、Fe、不锈钢、Al、Mn、Ni或其合金中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种微金属模具快速成型制造方法，其特征在于，步骤(3)中，预置的金属粉末的厚度为0.01-0.5mm，激光束为的功率为1W-100W，扫描速度为1mm/s-1000mm/s，光斑大小为2μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的一种微金属模具快速成型制造方法，其特征在于，步骤(6)中，利用功率为0.1W-100W、光斑直径为2～30μm的激光束对微型金属模具进行整形。