CN114258437A - 电铸模具嵌件的加速生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方法，包括以下步骤：将一个具有可选纹理表面的芯轴放置在电解槽中形成垫层，其中，所述垫层包含由金属电解沉积形成的可选纹理表面的负像；用夹具将垫层工作侧向下固定在参考平面上；光学扫描所述垫层以对非工作表面的几何形状进行逆向工程，其中，对非工作表面的几何形状进行逆向工程包括开发非工作表面的轮廓和垫层的厚度；以及通过增材制造向所述垫层的非工作表面添加材料来形成模具嵌件。
Description
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2019年6月13日提交的第62/860,940号美国专利申请的权益，其中，所述第62/860,940号美国专利申请通过本发明的整体引用，成为本发明的一部分。
背景技术
本公开涉及一种电铸模具嵌件的加速生产方法。
模具嵌件通常采用具有复杂纹理的表面和具有复杂形貌的形状。电铸通常是制造具有复杂外部形状和内部几何形状的模具和模具嵌件的有效方法。然而，由于电铸过程中沉积速率的变化，这种工艺制造的模具和模具嵌件的厚度往往不均匀。因此，需要找到一种快速的方法来校正这些问题。
发明内容
本发明公开了一种方法，包括以下步骤：将一个具有可选纹理表面的芯轴放置在电解槽中形成垫层，其中，所述垫层包含由金属电解沉积形成的可选纹理表面的负像；用夹具将垫层工作侧向下固定在参考平面上；光学扫描所述垫层以对非工作表面的几何形状进行逆向工程，其中，对非工作表面的几何形状进行逆向工程包括开发非工作表面的轮廓和垫层的厚度；以及通过增材制造向所述垫层的非工作表面添加材料来形成模具嵌件。
附图说明
附图是用于批量生产表面复制品的垫层示例性生产工艺的示意图。
具体实施方式
下述工艺提供了一种途径，可大大降低用于高保真注射成型、树脂传递模塑和/或压花应用的电铸模具的生产时间和成本。此工艺可用于制造热塑性和热固性聚合物生产作业的模具。此工艺包括以下步骤：形成一个较薄的电铸体，将其工作侧朝下固定到参考平面上，可选激光扫描电铸表面以对非工作表面的后续几何形状进行逆向工程，如果需要，对表面进行加工解决增材制造的问题，然后在电铸体的背面3D打印金属来增加其整体厚度，用于工艺模具应用。可进行冷喷增材制造、镀层或火焰喷涂等其他增材制造工艺(或不包括增材制造的制造工艺)来增加整体厚度。
在工艺中增加3D金属打印，可将适形、毛细孔或传统冷却通道直接打印到嵌件主体中，以提高模具性能。也可在嵌件的背面3D打印紧固件，以便固定在其他基材上。
与不使用增材制造的工艺相比，除金属垫层的电解制造外，使用3D增材打印可将电铸镍嵌件的生产时间缩短高达3天。现代3D打印技术可以高达0.5千克/小时(kg/h)的速率沉积镍合金。这意味着尺寸为6英寸x 6英寸的嵌件可以在大约5小时内打印至0.5英寸的厚度。
在本发明中参考附图详细说明了这种方法，其中，将一个具有可选纹理表面102的芯轴100放置在电解槽104中，在表面102上产生金属垫层106(在本文中也称为电铸体)。然后可采用增材制造来增强金属电铸体106，形成增强金属电铸体108。随后，可将增强金属电铸体108用于在批量生产工艺中铸造其他部件。
芯轴100是一个模板，可具有一个或多个纹理表面102。纹理表面102可选。纹理表面可能包括规则或不规则的特征，这些特征需要在批量生产工艺中复制到大量的其他表面上。芯轴100可包含可以在电解过程中使用而在电解溶液中没有任何尺寸变化的任何导电材料。芯轴可包含金属、导电陶瓷或导电聚合物。合适的金属包括铜、钢、黄铜、青铜、银、铝等或其组合。合适的导电陶瓷包括氧化铟锡、氧化锑、氟掺杂氧化锡(FTO)、氟掺杂氧化锌、RuO2、IrO2、SrRuO3、La0.5Sr0.5CoO3或其组合。芯轴还可采用本征导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔等或其组合。芯轴还可采用通过添加导电填料(如碳纳米管、炭黑、金属微粒、金属纳米棒等或其组合)变得导电的绝缘聚合物和绝缘陶瓷。
然后将具有可选纹理表面102的芯轴100浸入电解溶液中并进行电镀，形成金属垫层106。金属垫层106也称为金属外壳。电镀溶液105包含金属电极103，金属电极103可沉积在芯轴100纹理表面102上形成垫层。垫层通常称为电铸体。
形成垫层的合适金属包括镍、铜、铁、铝、锌、金、铂、钛锆、钴等或其组合。在一个实施例中，由一种或多种上述金属形成的垫层具有0.015英寸至0.500英寸的标称厚度，优选0.02英寸至0.330英寸的标称厚度。在一个优先实施例中，垫层含镍并具有0.015英寸到0.200英寸的厚度。电镀工艺可能需要1至30天，优选1至10天。
所述垫层围绕实际腔周长形成一个平坦“回收”区域107，其包括光学“基准”目标，为下游工艺中所用腔的位置提供参考。所述回收区域基本上是位于边缘最外缘的材料部分(例如最终形成模具分模线的芯轴的平坦部分)。它用于定位、夹紧、加工和保护壳体上的有用表面。
然后将与芯轴表面具有互补表面的垫层与芯轴分离。换句话说，垫层106的表面是可选纹理表面102的负像。由于形成的垫层厚度相对较小，垫层当前处于半刚性形式。因为垫层缺乏承受下游制造工艺的强度，所以不能以这种形式来复制纹理表面。
为了使垫层足够坚固，以便在多种制造工艺中使用，需要用另一种材料增强垫层。为了增强垫层，首先通过真空、紧固件、粘合剂或机械夹将其工作侧向下(通过夹钳等夹具)固定到平坦的参考表面上。这将在分析和打印之前消除零件的任何应力相关翘曲或弯曲。
用非接触式三维激光扫描仪或光学扫描装置扫描夹具和垫层的非工作表面，开发已在垫层非工作表面上形成的有机表面的数字模型。在这种情况下，术语“有机”用于描述几何形状独特的表面(如雪片形)。每个有机表面都不同，它们几乎没有可通过简单方法测量或容易定义的可靠几何形状。
需要注意的是，非工作表面与工作表面(可包含纹理的表面)反向放置。工作表面是垫层与芯轴接触的表面。然后使用扫描的数据对垫层的表面几何形状进行逆向工程。在此步骤中，根据夹具的中心线测量基准目标(利用光学测量装置可见)，以便了解所述垫层相对于所述夹具的真实位置。换句话说，基准目标上的一个或多个点可用作参考点，确定垫层相对于夹具的真实位置。
在另一个实施例中，记录芯轴上的某些点，然后可通过测量垫层上的某些点相对于芯轴上的点，确定垫层相对于夹具的真实位置。在这种方法中，可能不需要使用光学装置。
在一个实施例中，对垫层进行激光扫描，以对非工作表面的几何形状进行逆向工程，其中，对非工作表面的几何形状进行逆向工程包括开发非工作表面的轮廓和垫层的厚度。
分析进行逆向工程的几何形状，找出增材制造技术可能存在问题的区域。利用这些数据，计算机程序员将利用3D CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)软件将现有的垫层几何形状与嵌件所需的最终几何形状混合，然后输出CNC程序或多个程序，从而生成最终几何形状。
表面工作侧的基准目标用作参考位置，将垫层/夹具组件放置在增材/减材制造机床中，并相对于机床的坐标系统倾斜。或者，可倾斜机床的坐标系统以匹配零件的位置。如需要，可利用加工操作清除垫层上多余的材料。简而言之，这种测量有助于最大限度地减少垫层在电镀过程中出现的任何缺陷。
上述机床配有增材制造头108，然后在垫层上3D打印额外材料或任何其他合适的合金(如参考编号110所示)，直到获得具有相当厚度(高达0.5英寸)的已知、受控几何形状。这种通过增材制造工艺增加的额外材料110用作支撑件。支撑件为垫层提供均匀厚度。这种增加的厚度为垫层提供了一定强度和均匀的尺寸，从而能够在整个制造工艺中一致再现所需特征。在增材制造工艺中，可在支撑件110中打印其他支撑结构，如冷却管路、真空通道和其他表面下模具结构(未示出)。然后可将带有支撑件110的垫层106与芯轴100分开，生产可用于批量生产原始纹理表面102复制品的模具嵌件112。在一个实施例中，在用非接触式三维激光扫描仪或用光学扫描装置扫描垫层开发有机表面的数字模型之前，芯轴100可由模具嵌件112支撑。
可选地，可3D打印任何所需长度的支柱，从垫层嵌件的背面突出。然后，可用丝锥和套扣或螺纹切割技术加工这些立柱，形成正紧固件。这可用于进一步降低电铸垫层的所需厚度。本文中的垫层称为电铸体。
将嵌件的背面精加工或研磨成最终几何形状，然后插入模具底座(即例如注塑机)。
总之，本文公开的方法包括以下步骤：将一个具可选纹理表面的芯轴放置在电解槽中形成垫层。所述垫层包含由金属电解沉积形成的(芯轴)可选纹理表面的负像。然后用夹具将垫层的工作侧朝下固定在参考平面上，光学扫描非工作表面以对非工作表面的几何形状进行逆向工程。可选扫描可包括激光扫描。在一个实施例中，利用非接触式三维激光扫描仪或光学扫描装置进行光学扫描开发垫层的数字模型。
扫描进一步包括根据夹具的中心线在垫层上测量基准目标，以便了解所述垫层相对于所述夹具的真实位置。
对非工作表面的几何形状进行反向工程包括开发非工作表面的轮廓和垫层的厚度。然后进行增材制造，将材料增加到垫层的非工作表面，便于垫层缺陷校正。在一个实施例中，对电铸体的非工作表面进行金属3D打印(进行增材制造)，增加其整体厚度，用于工艺模具应用。通过增材制造工艺增加材料的垫层称为嵌件。(通过增材制造增加的)材料可以是金属镍、铜、黄铜、铁、钴、铝或其合金。也可使用钢、碳钢、不锈钢等合金。还可使用陶瓷和聚合物等其他材料，以增加整体厚度或校正垫层中的其他缺陷。
所述方法还涉及加工嵌件的非工作表面来解决增材制造的任何问题。加工可包括钻孔、刨削、铣削、研磨、磨削、刮削等或其组合。然后可将嵌件用于其他制造设备(如注塑机、压塑机、吹塑机等)，批量生产原始芯轴的复制品。
虽然已参考示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应理解，在不偏离本发明范围的情况下，可以对发明进行各种更改，并可用等同物替代本发明的各种要素。此外，在不偏离本发明基本范围的情况下，可对本发明的内容进行大量修改以适应特定情况或材料。因此，本发明不限于作为实施本发明所设想的最佳方式而公开的特定实施例，但本发明包括所附权利要求范围内的所有实施例。
Claims (10)
1.一种方法，包括以下步骤：
将一个具有可选纹理表面的芯轴放置在电解槽中形成垫层，其中，所述垫层包含由金属电解沉积形成的可选纹理表面的负像；
用夹具将所述垫层工作侧向下固定在参考平面上；
光学扫描所述垫层以对非工作表面的几何形状进行逆向工程，其中，对非工作表面的几何形状进行逆向工程包括开发非工作表面的轮廓和垫层的厚度；以及
通过增材制造向所述垫层的非工作表面添加材料来形成模具嵌件。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括加工所述非工作表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，缺陷校正包括增加垫层厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在光学扫描所述垫层之前减少所述垫层的应力相关翘曲或弯曲。
5.根据权利要1所述的方法，其中，所述光学扫描包括激光扫描。
6.根据权利要1所述的方法，其中，利用非接触式三维激光扫描仪或光学扫描装置进行光学扫描，从而开发所述垫层的数字模型。
7.根据权利要1所述的方法，进一步包括根据所述夹具的中心线测量基准目标，以便了解所述垫层相对于所述夹具的真实位置。
8.根据权利要7所述的方法，进一步包括使用所述工作表面上的基准目标作为参考位置并且相对于增材制造设备的坐标系倾斜所述垫层。
9.根据权利要7所述的方法，进一步包括使用所述工作表面上的基准目标作为参考位置并且相对于所述垫层上的基准目标倾斜增材制造设备的坐标系统。
10.根据权利要1所述的方法，进一步包括使用所述模具嵌件来制造所述芯轴的复制品。
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