模具企业怎样降本、提质、增效?了解一下这种嫁接打印方案

国际金属加工网 2021年02月03日

降本、提质、增效的实践是模具企业持续提升竞争力的不二法门,而基于选区激光熔化工艺的金属增材制造-3D打印技术为实现这些目标提供了新的可能性。利用3D打印的异形水路和气路来改善模具质量,在整个注塑周期内降低成本的做法已经普遍被行业接受。

尽管如此,由于用户初期担心粉末性能、成本和在模具制造行业缺乏应用知识,模具制造领域的增材制造应用速度仍较缓慢。通常,模具制造商的风险意识都较强,也需要在生产注塑模中保持最低成本的优势,模具制造商承担的压力相当大。如果在模具中使用增材制造的模仁,其优势十分明显,但同时也增加一定的成本。那么,是否可以既应用3D打印技术又降低模具整体成本呢? 当然可以!嫁接打印工艺应运而生。

GF 加工方案在《金属增材制造嫁接打印应用》研讨会中,以模具应用为切入点,剖析了嫁接打印的应用意义、嫁接打印的挑战,嫁接打印底座材料及热处理,并分享了一种利用监控实现嫁接打印的新方法及应用案例。该方法对于实现嫁接3D打印部分与原模具准确对接,保证嫁接模具的质量具有重要意义。

▲©GF 加工方案

嫁接打印的最大障碍-定位

嫁接打印是指并非从零开始,而是在现有的材料上完成零件增材制造过程。底材一般是通过铣削加工减材制造,而在其上3D打印的部分是增材制造。所以,有些人也将这种制造方式称为混合制造

在客户应用端,嫁接打印的需求从来都没有停止过,而且呈现增长趋势。嫁接打印最开始的发展是出于降低成本的考虑,比如在模具行业,只有在部分需要优化水路的部分采用3D打印随形水路,而在没有热量堆积的部分,使用传统的直水路,这样的混合制造可以有效的降低模具的制造成本。

随着3D打印应用类型的不断增加,有些模具制造用户意识到,如果用3D打印制造大块且密实的结构,不但打印时间长,而且内应力集中,零件中大块且密实的结构更适合减材加工。因此,对于这种零件,只在必要部分使用3D打印,也就是使用嫁接打印的呼声很高。

/ 两种不同材料能嫁接在一起吗?

了解焊接技术的用户能够了解嫁接打印的底材和嫁接材料应该是选用同一种材料。但是,在实际使用过程中仍然有很多困难。因为传统的材料,比如钢材的牌号非常多,而金属3D打印能使用的材料则非常少。那么不同牌号的钢材在嫁接后的强度是否能满足要求,成了客户较大的疑问。

粉末床3D打印需要使用基板完成制造。基板的使用实际上也是一种嫁接打印的过程,只不过嫁接底材相对面积大且平整。

从理论上说,当基板与零件使用同种材料,保证受热和冷却后材料的收缩率一致,零件才不会开裂。但是实践与理论有所不同,比如说在打印不同钢材和高温合金的时候可以使用钢基板,就说明绝大部分的钢材和可使用的高温合金材料在3D打印过程中收缩率差距不大。

在嫁接打印领域,也可以套用这个理论。并不是理论上认为的,只有同样的材料才可以嫁接在一起,实际上可相互兼容的材料范围更为广泛。

定位

嫁接打印的技术难点在于定位。3D打印的工作面积要与底材完全重合,不然就会产生错位。如果零件内部有流道,定位错误会引起的流道错层,从而导致零件不能达到设计要求。对于要求高的零件,尺寸公差小于0.1mm才是有效的嫁接。

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内部水路错位

©GF 加工方案

在进行嫁接打印的过程中,除了XY方向的定位精度,Z轴的定位一直是易于被忽略的。对嫁接打印开展了一定探索工作的用户,自己开发的嫁接方式大多只兼顾了XY方向的定位,对于z轴的定位缺乏科学有效的手段,主要靠目测和手感。

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▲平面度不好会导致局部融合问题

©GF 加工方案

预埋深度定位不精确还是小问题,大部分开裂和漏水的原因还是底材的平面度没有调整好,导致嫁接后局部位置融合出现问题,导致应力集中引发的疲劳性失效。

接下来简要介绍几种常见的嫁接打印零件定位方式。

四种常见定位方式

有研发能力的制造用户纷纷开始自己着手开发解决方案。目前主流的方法主要有四种,分别是真空焊接、马克笔定位、胶水定位法和夹具定位法。

/ 真空焊接

焊接是最直观的解决方案开发的思路。焊接作为最传统的连接两个零件的方式,也自然成为最容易采用的解决方案。

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▲真空焊接的混合制造零件

©GF 加工方案

在众多的焊接方式中,真空焊接有着较为成熟的应用。通过高温高压将两个部件融合在一起,强度和精度都有很好的保证。但是,真空焊接的缺点是,要求两个部分都有较大的平行平面,才能通过机械压力将其结合。如果,零件结构不能满足要求,比如尖顶,就不能使用真空焊接的方式焊接。而且,真空焊接只能焊接一层,如果是多层的结构,一般都会出现疲劳性的问题。

马克笔定位

马克笔定位法是将底材的表面用马克笔涂成黑色,然后装入设备,在不铺粉的情况下,使用激光烧结一层。被烧结的部分由于受热颜色挥发,漏出金属本来的颜色,没有被烧结到的地方仍然是黑色。通过不断的调整位置,最后完成定位。

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▲将底材嫁接面涂黑

©GF 加工方案

马克笔定位法与其说是一种定位的方式,不如说是一种验证的方式。用户通过穷举法不断的验证设计位置完成定位。虽然略显笨拙,但是十分有效。这个颇具艰苦时期革命浪漫主义气息的解决方案,在嫁接打印最初发展的几年立下了汗马功劳。其定位精度和效果可圈可点,现在仍然有不少用户在使用此方法。

/ 胶水定位法

马克笔定位法虽然有效,但是效率太低,一旦嫁接打印零件上量后,劳动强度较大。为了解决这个问题,快速实现底材定位,催生了胶水定位方法。

首先要将底材和要嫁接的部分当成一个零件去考虑。做成三维模型,用这个模型在基板上只打印1-2层,这样基板上就会留下底材底面的外轮廓(实际是有实体的,但是这种定位方法只需要轮廓)。再将底材用胶水粘在基板上,与这个轮廓重合。预埋调平后,让设备从嫁接层开始打印就完成了定位。

这种定位方式的好处就在于将两个零件作为一个零件考虑,一次操作就可以完成定位,不需要反复调整,减少了很多工作强度。

/ 夹具定位法

在减材加工和测量领域,零点定位是一个基本的概念。夹具也是在零点定位的基础上发展而来的成熟定位工具。

3D打印机在升降平台上基板的正中心也是XY=0的位置。那么通过设计专用的夹具,也是可以完成XY定位的。特别在一些量产的嫁接打印零件领域,用户自研夹具的比例非常高。而且,其夹具都是用3D打印机直接打印出来的,一次定位,反复使用。

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▲GF加工方案增材制造专用夹具

©GF 加工方案

GF加工方案专利技术3R系列增材制造专用夹具也是用户的首选,不仅可以快速的定位嫁接件,还可以直接衔接铣床,完成后处理减材加工的零点定位

利用熔池监控系统实现孔定位

GF加工方案还为嫁接打印的应用开发了使用监控定位的解决方案,利用其金属3D打印设备(例如DMP Flex 350)中的熔池监控系统,用科学的方法实现快速、精确定位的目的。

目前基于选区激光熔化工艺的3D打印设备,监控系统大多由影像的铺粉质量监控和利用光电二极管收集热辐射数据的熔池监控两大主要系统组成。熔池监控不但能采集粉床上的热辐射数据,还能给出辐射点的XYZ坐标。使用监控定位底材正是应用了这个原理。

在这一方法中,实现定位先要在底材上钻一些定位孔,通过监控对孔进行定位,之后设备会计算出理论孔的坐标与实际坐标的偏差,在设备打印时,机器会自动修正这个偏差,最终实现高精度的定位和零件制造。

定位步骤

1. 利用激光器定位单孔

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▲©GF 加工方案

对孔周围的区域进行扫描,因为反射率的不同,监控识别出带坐标的孔位。

2. 定位多个孔位

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▲©GF 加工方案

要实现定位必须要至少得到三个孔位的坐标,而且这三个孔位要成三角关系排列,不能再一条直线上。底材上的孔位越多,定位精度越高。

3. 使用设备自带软件进行结果偏差的拟合

激光器工作时会自动补偿这个偏差,从而完成嫁接打印。值得一提的是,监控不仅能定位XY坐标,还能定位Z坐标。如果底材的平面度不好,是可以从数据中发现,为用户提供判断依据。

有的用户可能会对在底材上钻孔有顾虑,但值得一提的是,这个定位法本身可以利用底材上现有的标识物,比如模具随形水路本来就有的孔。新钻的孔,也不需要填充,孔位处也可也通过设计来避免添加打印支撑结构。在广泛的强度和疲劳度测试中,并没有发现孔位对整体强度有影响。

GF 加工方案的熔池监控定位,有着很高的精度,可以轻松满足最严苛的0.1mm的偏差要求。实现简单,操作难度低。

GF 加工方案的上述嫁接打印解决方案,已在国内模具大厂东江模具的注塑模具生产中得到应用。


(3D科学谷)

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