随形冷却注塑模具的主要成型流程,可分为成型前准备、SLM成型和成型后处理三个阶段。成型前处理包括模具模型的3D建模,需采用STL格式文件,添加支撑结构、确定工艺参数及进行分层切片等;SLM成型阶段属于自动化加工,人工干预较少,只需对设备工作状况进行监控,保证各个设备正常运行即可;成型后处理包括取件、清粉、喷砂及其他加工等,其中冷却水道内部的清粉是SLM成型注塑模具区别于成型其他工件的主要后处理步骤。
- 模型设计:模型设计,是随形冷却注塑模具制造的第一步,直接决定了模具的外形特征,设计时不仅需要考虑冷却效果,还需要考虑加工工艺的限制以及采用的模具组合方式等。冷却的效果要兼顾冷却效率和冷却质量两个方面,需要优化冷却水道的排布和结构特征。加工工艺的限制主要是针对SLM工艺的成型特性,在设计时对某些特征进行处理,以保证模具在成型制造时不至丢失特征,例如,微小特征、悬空结构等
- 添加支撑:添加支撑的目的主要有两方面,一是为了将成型工件固定在基板上,这是由于在模具成型过程中,需要将粉料均匀紧密地平铺在基板上,铺粉时存在一定的剪切力,若成型零件在基板上未固定或固定不足,轻微的移位会导致加工完成的工件错层,严重时工件有可能卡住铺粉装置,损坏设备。因此,需要足够的支撑将成型工件固定。二是为了防止特定结构打印时发生特征丢失,这主要是针对倾角过大的工件结构。添加支撑是成型前处理的重要工作,对工件的成型质量有着重要影响。对于SLM-125HL,支撑主要分为两类,一类是交错的网状结构,主要应用于底面平直部分较大的工件支撑;另一类是片状支撑,应用于圆柱面等非平直曲面的支撑,最小的支撑高度,即最低成型面到基板平面的距离,一般选择3~5mm。过高则造成工件的总成型高度过大,所需的铺粉粉料用量变大;过低则会造成取件困难,需综合考虑
- 确定工艺参数:工艺参数直接决定了成型工件的质量,加工工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、扫描方式、铺粉厚度和工件摆放的空间位置等
成型后处理
- 取件:工件成型完毕后,工件淹没在粉料下,取件时先将熔结产生的废料清除,防止废料污染粉料;然后将工作台上升,在加工仓内进行初步的清粉,使用毛刷将未烧结的、依附在工件表面的粉料清扫入粉料回收缸,以备循环使用,最后将工件和基板一并取出
- 去除支撑:取件后,需将工件与基台分离,通常采用线切割、锯等方式。线切割分离时间较长,多用于支撑较多、支撑连接处具有薄壁特征的工件分离,因为该分离方式较柔和,不会造成工件变形;当工件较小、支撑较少、支撑连接处为实心结构时,为节省分离时间,也可以采用凿子直接将工件取下
- 清粉:清粉主要针对模具的冷却水道部分,可以采用毛刷直接清粉,也可以使用吸尘器或吹风机等辅助设备去除滞留在冷却水道内部的粉料。冷却水道的结构对清粉难度有一定的影响,例如水道的直径、水道曲率半径等
- 喷砂:喷砂是采用压缩空气为动力,以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂等)高速喷射到需要处理的工件表面,使工件的外表或形状发生变化,从而获得一定的性能。对于SLM工艺成型的工件,喷砂主要有以下几个目的:喷砂能清理粘连在工件表面的粉料,提高工件的平整度和精度。工件表面在成型时会粘连少量未完全烧结的粉料,连接强度虽然较低但清粉时毛刷难以去除,因此采用喷砂进行处理。喷砂前可见大量凸起,喷砂后,表面趋于光滑平整;消除热应力,提高工件的机械性能。粉料在烧结过程中,热应力积累,成型的工件内应力大,为防止使用过程中产生变形或开裂,需采用喷砂处理将其消除
- 其他加工:SLM工艺的技术优势在于成型内部具有复杂非规则结构的工件,如注塑模具内部具有冷却水道,外部具有各种结构类型,如凸台、凹孔等。目前由于SLM工艺成型的工件表面粗糙度较大,精度难以控制,将SLM成型的模具直接应用于注塑成型还不成熟,尤其是对表面粗糙度、精度要求较高塑件,还需要借助其他传统机械加工方式进行后续加工处理,才能满足模具精度和表面质量等的要求