资源描述
对通过塑料注射成型零件的选择性激光融化生产 得到 的 功能梯度材料 插入棒的 评估 V E P C H 母 该 手稿收 于 2006 年 10月 19日 ,修订后 于 2007年 3月 9日出版。 9544054要 注塑行业对生产率和形状复杂的需求需要新的研究提高工具设计、材料和制造。 通过 功能梯度结构建立 注射模具的发展是 其中 一个研究领域。例如 ,具有 功能梯度材料建造技术 的模具 可以 获得 具有较高导热性的独特部分 。厚 的 注射 部件具有较高的热传导率 ,这 有 利于生产出 更好的和更便宜的聚合物注射 模具部件 。在以工具钢为原料制造模具的时候加入铜，有可能获得不同传导性的模具。在这篇文章中，我们将为您描述 关于 功能梯度材料影响 的调查 一个 是 具钢 和工具钢的插入 棒 的 热数值分析 比较 和比较 聚丙烯 部件 模具表面温度和结晶度的程度 的 注射成型试验 。 数值模型 用来 根据模具插入材料 不同 比较 模具传热 性能 。之后 ,建立了一个支持保 持功能梯度材料和工具钢 插入棒得到了选择性激光融合的过程。聚丙烯 被 注射 入 注塑件中与 数值结果 进行 对比 。为了观察 分级插入 聚丙烯 部件 的冷却速度 ,部件的结晶度由 差示扫描量热法测量(试。 也 评价 了 注射周期 模具的 温度 。结果表明 ,力较低。 工具钢中 添加铜 的 混合钢铁 能 更有效地传递热量 但是 吸收热量能力低。 关键词 :功能梯度材料 ;注射模具 ;快速制造 ;聚丙烯结晶度 1 引言 注射 模具部件的优势 取决于三个主要方面 :工具成本、注塑模具原料和生产力工具 。这三 个 组 合 使得在 不影响生产力和材料 的情况下 很难改变部 件 /模具设计。 因此， 必须通过 最佳的 原 材料选择和部分 件 和模具设计 获得 工具 的耐久性 、生产力、成本 1。不幸的是 ,有 德 限制使得 很难找到最好的有前途的解决方案。现代注射模 复杂 性变 高 ,模具设计师的关注是如何孕育 不 产生 部分 扭曲 的部件 ,从而 保持高水平 生产率 。一个复杂的渠道网络设计 被用来 使冷却液体 从模具 中 吸取 热量。 通道的 设计是困难的 ， 因为它 必须用来使 喷发系统 作用。 顶出针、投影片和气流 门 是用来 使部件从铸型腔中喷出避免部件 审美 方面 。根据 部件的 复杂性和形状 , 冷却系统 留下的 空间小 , 在模具 上 不留痕 对制造来说 并不可行。在许多情况下 ,当 高温均匀提取腔的 散热均衡和生产率未达成 ,重新设计部件 几何 从而适合模具 的 局限性是必要的 。另一种 解决复杂的热问题 的 方法 是 使用 (入 1。 与 一般钢合金 相比 入 会 有更高的导热系数、 在注射成型周期 中 ,当冷却途径不起作用的时候他们被 使用 来 从冷却通道的地区 提取热量。然而 ,它们不是环保 的 ,铍被引证为 是 一种致癌因素 2。另一限制是 因为模具 表面基础材料之间有一个明显的 联系， 模具 的 插 入会在部件上留下痕迹 。此外 , 需要 减少冷却通道空地 插入的特性。 到了上世纪 80年代中期 ， 新的 被称为 体 自由 形式的制造 )的 生产技术出现了 3。 这些技术 相对于 传统的来说 ,最主要的区别 在于他们是基于层添加剂的原则。也被称为快速成型 (这些技术 几乎可以 用 任何形式或材料 小批量 生产 部件。各类可得的资料是有限的 ,然而 ,程可以 用 金属、陶瓷、和聚合物 建造零件 3。 因为机器几乎能从 计算机软件生成的数据 中 制造出 坚实 的部件， 总机技术的自动化程度很高 ,而且他们也被称为 “ 解决三维 技术的 打印机 ” 。设计师和工程师可以 精确、适当和 无 误解、没有延迟 地 建立和验证设计 部件 。 术的基 本原理是 根据部件 设计的数据 建立 一层一层 的 材料。原料物质可以 为 液体树脂、电线、软糖、粉末和床上用品。去形成这些材料 的方法 是 多样 的 ， 包括紫外激光、电力激光、喷胶、沉积融合 材料 等等 。这些 附加层制造技术 (被应用于注塑 模具 的 生产 。根据 用于建筑 工艺及材料、错综复杂的模具 槽 (注射部分 )和注射的 材料 ,这些模具 与 传统模具 相比 具 有竞争力。 根据技术 ,材料和应用 ， 它可以建造 12 到一万个 部件的 模具 4,5。 用于 立注塑模具 的 有趣 技术是 常规的冷却渠道。 渠道 是 在 没有考虑 传统的制造方法的局限性 的情况下在 模具 中 设计 的 。 常 规的冷却渠道 可以遵循冷却通道模具的表面 ,与正常模具相比， 生产 时的 引射系统限制较少。不幸的是 ,由 于 顶出系统和 部件 的一些 功能 ,例如深 层 可能不受渠道 散热能力的影响 ， 它 们仍然是有限的。 为 克服这些限制 ,使得运用 术 通过 功能梯度结构 来 建立注塑模具 变为可能 。 在过去的 25年里 功能梯度材料 已经成为 研究 的问题 6。大部分的天然材料 ,如矿物质和组织逐渐从一个功能区 变化 到另一个地方。 这个 自然 的例子 激发 同一个部件 /单位 的 整合模式与功能设计。 就 生产工艺 来说， 功能梯度材料并不完全 是新的 ,但是 仅仅是 20 世纪 80 年代后 ,它开始 被 更多 的关注 并且 被分类为一个特定研究主题 。 功能梯度材料的基本理念是 通过丰富特定区域成分 来得到不同特性 ,从而提高部件的 质量 。 这个 成份 可能是一种基本元素 ,如碳 只能被 用来增加钢 在表面的硬度。另一个例子就是 哺乳动物 外面 到 内侧 孔隙度变化 的骨头。外面的低孔隙度的刚度增加了他的脑骨 ，但是 提供 了 到内 的联系 。骨的核心是多孔性 ,从而允许重量效率。利用该材料 从一处到 另一个地方 的变化 , 可以获得优化组件 。减少关节的 数量和紧固件 ,减 轻质量 ,结构提高 ,微分散热、热屏障 ,嵌入式传感器 ,种植生物相容性的使用 都是 功能梯度材料的潜在优势 6 功能梯度材料 在相同的组成部分 也能逐渐加入不同 性质的不同材料 ,原则是 与 复合材料 类似 。不同的是 ,复合材料是一种具有独特的阶段 ,在 改变他们 大量各组成部分的 成分 方面 不能行 。尽管功能梯度材料的概念非常简单 ,多数潜在的功能梯度材料的应用 由于 科技的限制 ,工程造价高 而受到限制 。在控制和沉积梯度组成和 配合计算机辅助设计 (产复杂的形状 ,计算机辅助制造 (限元分析 )方面的困难都是 使用 受到 限制 的 部分原因。 很多研究人员 已经研究了 使用技术生产零件 9。因为 术可以制造曲面零件 ,处理不同的材料 ,可以用 他们 来生产 功能梯度材料 。 大多的研究人员通过一种激光束提供的热源制备研究 能梯度材料的形成过程。由于激光器自动化很容易，并能精确和高速度地提供高能量密度，他们几乎可以处理任何材料 10。功能梯度材料和 另一个方面是材料中经常使用的粉末状或事先 融合烧结下的光斑。局部组成控制（ 使用快速生产加工和制造技术生产功能梯度材料零件的主要问题。这方面 牵涉到通过控制加入材料的每个部分或层区域的百分比 的原则。一些研究者 11， 12用微型漏斗，喷嘴及毛细管，控制沉积层中的粉末。 13在 激光 网络成型 （ 梯度工程 过程 研究了两个粉流的优化 来构建 钢合金。此外， 代表分级几何的计算方法一直是研究的课题。 取得了 有限元和体素空间几何数据 , 人 14通过 印刷工艺有限责任公司 研究了 三维几何形状和材料。通过这种方法，有可能用不同的容量梯度 来 数字化地 代表 3 在以前的工作中 ,已经开始研究向基础材料中 增加一个额外的功能性材料 来生产出功能梯度材料注塑模具 15。一个多室料斗被用来制造 梯度结构的 铜。 因为 性好，耐高温磨损的材料，所以 是常 用的 生产 注射模具 的材料 。不过 和铜（ /米 k， 385 瓦 /米）相比 这种材料的热传导是比较低的 16， 17。铜 元素粉末 以 25， 50的比例与 到 功能梯度材料棒 。这些 棒 的生产方法是 使用高粉的 择激光聚变 /熔化（超低频或 以前用料斗装入多室粉末 ，现在 激光 可以 加工多成分粉末。当激光扫描粉末 ，粉融合并吸附在 先前添加层 上。经处理后作为层，粉层变低 ，粉末 在 上一层 上铺开， 激光 用来融合粉末 形成一个新的层。 对 这个过程进行了数值控制， 并且继 续进行 直至完成 部件的生产 。在融合过程中采用这种激光 会 留下粗糙 的 表面，需要一些包括 去除 被用来 吸附 的第一层平台的粉末床基质 后处理 。 分级 该过程结束时 可以得到 。因此，功能梯度材料可 在注塑模具制造中 用 来形成 高导热地区 从而 提高热 伸缩性 。由于可制造性和喷射系统， 冷却 /加热的渠道有限，一些地区的 现 象可能是过热。 部件的不同热收缩率 可能导致翘曲，水槽和冷焊接痕迹，表面质量差，而且可以 减缓部件 生产速度。另一项关于 功能梯度材料在 模具 上 的应用是建立了工具钢和硬质合金梯度腔边缘。这可以 通过 改善诸如 模具边缘 闪烁磨损造成 的 缺陷提高零件质量 1。 运用功能梯度材料获取高性能注塑模具是 这种 研究的动力之一。尽管在工作中使用 激光和层沉积 有局限， 这些实验计划 仍然是用来 评估 增加 铜 较于 基础材料， 加 模具 部件 温度和注入聚合物的结晶度 的影响已经被 分析。从理论上讲，铜会增加模具的导热系数。这项工作分为两个部分：热传递和注塑成型数值模拟实验。第一部分介绍了 热量 从注入 的 部分传递到模具和金属插入 棒 的数值模型。该模型评价了温度， 模拟 了 不同的材料模具镶件： 及铜 0。在注塑成型实验， 功能梯度材料棒 （模内镶件 ） 是通过激光核聚变 生产 的 ,并且 放置在一个立体（广义）的模具 中 。聚丙烯（ 部 件 是向这些金属中插入聚合物而 制作 的 。 对这个实验的 两个输出进行了分析 ： 模具表面 温度 和 件的 结晶度。模具的温度测量 是 通过 采取 完全 相同的数值模式的立场热电偶 所测量的 。有不同的插入 成分的模具部件有着不同的结晶度 ， 是通过进行差示扫描量热法（ 分析得到的。 试是 用来确定部件插入成分不同 是否 具有不同的 冷却速率。 结果 ， 部件的结晶度也 是不同的。冷却速率越低，反映 晶度的聚合物链组织 就越是 明显 。聚合物的 快速冷却速度有助于 形成非晶 结构。 加热塑料直到其完全融化 从而 解散晶体（更稳定，低能量状态） 将需要更多的热量。 在测量样本融化前吸收的能量 的 线 中可以看出 这种 现象18。 2 方法 字模型 注塑周期是短暂的 现象并且 热导率不是 分析热传递性时起作用的 唯一的材料 特性 。密度和比热容也决定材料储存或运输能量的能力 19。考虑到量 的 控制，通过 平衡吸收，生成，输 出的 能量得到 能量状态。这种通过内部积累 能量 的计算的 变量 可以 用 方程 进行 模拟 ,见式 （ TE 式 （ 式中 表示 输入 的能量 ； 表示 产生的能量 ； TE 表示 能量变化（ E）内相对于 单位 时间（ t）体积的 变化 。 加工 模具 时 ，在熔化材料填补了模具 模型 ，在 定量控制 下 没有产生 热量。 考虑到热量沿着 一个方向 传递 ， 通过一区 A 热通量传热 方程（ 为进一步简化， 见 式（ q” q” =c 式（ 式中 q” 表示 热通量 ； 表示 材料的密度 ； T 表示 温度 ； X 表示 热通量方向轴 . 离开模型， 模具的温度 可以被认为是恒定的 ， 考虑 到这一点 ，在很短的时期热通量可视为常数，因此可以描述 为 式（ q” = 式中 k 表示 热传导系数。 非线性方程 没有简单的 求解 方法 ，复杂的形体通常需要 数值模型 来 解决这些问题。 图 2个 有 金属插入 二维模型内注射成型品 。该模型认为各 部件 、模具和表面 没有 电阻。初始条件 是 温度 内部 注射部分 的节点温度 是195C， 包括 与其他地区部分 连接 的 节点 的温度 是 20C。 温度是通过利用平面 四节 元素形成四边形网格计算 得到 的。 被选为 分析 的 节点 如 图一 所示。 利用 分析。 图 2在 注射接触部分热 传递的二维模型 (模型各区域的初始温度显示 ) 为了在模型中输入 材料性能 (密度 ， 比热 ， 导热系数 )， 计算 数值被应用于6。然而 ,百分之 五 十以上的 料特性 价值是 在 合物规则的基础上 估计 得到的 5,6。混合物 (的基本规律 呈现在方程 式 (一个由 ( )和 ( )阶段 形成的 等量数值（ ）是由 混合物中每个阶段和体积分数的总和 计算 得出 的 ,(5)阶段 ,得出一个 在 每一个阶段作 线性变化的 数值 。 方程式 (示的 第二个规定更为复杂 ,但没有 一个方程考虑到 互动 过程、阶段几何 、空间 分布、 以及 其他影响 混合物最终特性的 因素。 不管怎样 ,第二 个 规则比第一个更保守。 表 2 特性 。 o ig h t 式 ( 式 (总的来说 , 通过 插入不同规定材料 得到 个模拟节点时间温度 ,详细见 表2 表 2字模型中的材料特性 前四 个 进行了仿真研究所有 节点 相对独立时间的 温度。 计算 另外两个模拟 时考虑到 了插入背面的 节点被限制在 持续 20的温度 ,不随时间的变化而变化 。这 被用来 模拟 在 插入 的 背 面使用冷却通道 时 的 数值 情况 。数值模拟 如 表 2 表 2数字模拟条件 塑模具实验 为了 探讨功能梯度材料 在 注塑塑造零件 的效果 , 使用 可选择性激光融化和多室料斗 进行 分级 插入 的生产。激光 在 一个分级的料层 轨迹上 扫描。 这种 分级 的 粉床是 通过 不同 混合粉末 的 料斗等 传播的 。激光能量软化了粉末 ,建立一层一层的 层级性结 。 过程 的基本结构 见 图 2 图 2选择性激光聚变过程和传播 为了 生产 注塑物 ,中等量的 粉末 混合 物被使用 。 u， 5%13和 u,0%量分数 )的粉末和 纯 粉末 被放置在陶瓷球工厂 用来作 适当的混合粉末 。 粉粒大直径和细颗粒 的 平均比值 。这 与 提高松装密度 (包装 )粉 末吸附剂颗粒组成 的 文献中提 到的 7:1接近(22)。铜和大颗粒的 105颗粒 铜 的直径 小于 22毫米 , 于 38毫米。 13工具钢合金 (N 000部分组成是 : 铁、 C、 铬、 最大 锰、 钼、 硅及 钒 及 含 铜氧 的铜粉(23)。 不同 成分的粉末是用来填补料斗 ,铺在 上。计算 机数值 (光 控制系统软化了 一层一层 粉 ,使用 了 一个 为这个技术 开发 的 特定 扫描策略模式 ， 详细 的 描述 请参考 文献 15。这种方法在分成两个阶段。第一步 是 激光间隔 粉末 线 ，留下 差距线。 随着 粉末 的 滑动 （不移动平台）， 粉末 重新填满了 凝固线 之间的空隙 。 扫描 过程的 第二步 是 激光 用来 融化 存放在这个空缺 的 新 粉末 。激光加工参数 是： 能量脉冲 10 J、脉冲宽度 20 复速率 2赫兹及扫描速度 5毫米 /秒。 使用的 层厚度是 250毫米 ， 氩 被 用来减少氧化。构建标本 后 ,对 他们 进行了去除附着物和磨表面 的后处理 。 最终 的 梯度 分级插入 及其分布梯度 见 图 2 图 2各个不同的 铜和 宽 是 通过 切削及研磨退火 过的填充物得到 一个纯 充物，这和功能梯度材料 标本 有 相同 的 尺度。 注射模具是专门设计用来持有和交换 填充物的 。 填充物 由一个简单 的3060 板设计的 。 可选择性激光 过程 被用来 来建立模具。这种选择 因为 执行，并且能像 绝缘体 一样工作 。因此 ,金属刀片 有 更独特 的影响。 为了在 注射周期阅读模具表面 的 温度 ， 在 模具设计 时候也 考虑 到 模具的两个热电偶的放置 。热电偶的位 置都 如图 2 图 2 洞里的位置 这个 模具使用 了 亨斯迈 580 树脂 建立 的 三维 统。 热电偶被定位 并且用 商业 环氧 复合 树脂 粘 在 模具 的表面。在环氧胶水刚硬 后 , 直到热电偶暴露 才会 沙 化 。聚集在 准备安装注射成型机 的支持板上 。 使用的 注射机 是10 和 与 堪监测器科学 得到的 结合的热偶 。 每 5秒 收集 一次数据 ,房间温度在 20C。注射成型 材料是 02 产 的模具 见 图 2图 5注塑模具 (如上图所 示 )和可互换 填充物 的细节 (下图 ) 注射成型过程将 从在 第一个槽 插入 功能梯度材料 填充物 和在第二槽插 过二十注射周期 ,填充物被交换，第二个槽里面是功能梯度材料，第一个槽里面是 一个 20个 周期 就将要 进行。表 2 注塑循环 过程， 图2 表 2 注塑顺序以及注塑位置 表 2注塑物参数 图 2热电偶温度估计 (具表面 )模拟嵌入不同的材料性能 每一次开模 , 120 s 延迟时间被用 来使得填充物冷却。因为几何简单，离型剂不是必要的 , 模具模型表面使用简单的几何角度使得零件容易成型 (。 注射成型参数保持不变如表 2 通常在 注射和 支持 力。大部分的 0以上 变得柔软 ，必须避免 高压力和 高 温度从而提高模具的生命。 在聚丙烯部件的 注塑模的第二和第十六周期获得的 样本来自 于 差示扫描量热分析测试。 用于这些测试的 装置 叫做 本来自 于所有部件的同一位置，在有些区域装有热电偶，这些样本正是与注塑物 (功能 梯度 材料 和 同位置的表面相 匹配 。图 2样本的这些区域 。 有着 5到 7聚丙烯部件 被放在铝盘中并被安装 在装置 上 。 这个 实验 在 从 室温 (19C - 21C)到 300进行，并且 升温速率 为 10C /分钟。这 个结果是用本分析软件 分析 得到的 。作为之前 的 解释 , 试 主要的目标是比较 使用不同填充物的注塑模具部件的结晶的 程度。 结晶度 可以 由方程计算 得到 (7)。 H 是被用来测试的聚合物的 溶解热 , H%10是具有百分百结晶度的相同聚合物的 溶解热 。 3 结果 字分析结果 有 可能 根据 数值模拟绘制 出 代表热电偶和注塑物表面 区域 (节点 ) 相应时间 的 温度 。 图 2示代表热电偶 (的节点 的 计算温度。 对于 没有冷却系统的模拟 （ 50 13+50 图 2线表明 尽管注塑 的物质是不同的 ， 冷却速率之间 却 没有区别。 与没有冷却的注塑物相比， 对于有 冷却通道 的模拟（注塑物 背面的 的温度 保持在 20 C),两个被用来测试的注塑材料 ( 0 曲线 表明 它 的 加速 冷却效果更加 明显 。然而 ,它表明 两者 的 冷却速度 没有任何 差异。 代表注塑物表面温度的其他 节点的结果 有着明显的差异 。 如 图 3 绘制相对于 温度节点 没有冷 却系统模拟的注塑物表面的加热和冷却速率表面 虽然物料的特性是不同的 ， 冷却速度 却 没有明显改变。 对于模拟注塑物背面温度的其他两个分析的结果表面 材料影响 冷却速率。在图 3根据 计算，与其他模拟条件相比， 13+50更高的冷却速度 ,这表明 和纯粹的 模拟 功能梯度材料（ 0 注塑物 会 有更快的 冷却速度。 图 3不同条件下插入物表面温度 塑 模具 实验结果 图 3通过 典型的注塑 模具 周期 的 热电偶 测得的 温度。这图 表面功 能梯度材料的注塑物的 温度 比仅仅 只有 如图 3这种 现象与 独立槽的顺序 无关 。同时 功能梯度材料注塑物模具的表面温度 远远高于 只有 另一方面 ,功能梯度材料的温度 远远高于数值结果。 图 3注塑模模具表面温度 差示扫描量热分析的结果 表明 了 热电偶 测量 的 温度 。功能梯度 材料有 更高的温度 并且从部件吸收温度的 能力 更 低 。 需要 更高的能 量取溶解 用 功能梯度 材料 成模 的水晶样品 ，所以这结果很明显 。 图 3示， 差示扫描量热分析 曲线 表明通过 热模具 ， 16个 周期 ,能够得到 更高 结晶度的样品。 图 3差示扫描量热分析曲线 表 3来 熔化该样品 所必须的 每克能量的 差异。同时 ,所占的 晶度 比例 用 方程 (7)计算 。 聚丙烯百分之百 结晶度的计算参考 209 J / g(25)。 表 3化该样品 所必须的 每克能量 4 讨论和结论 模具表面温度的测量 表面 数值试验 的 不同 结果。模具表面的温度 比 模拟的结果 高。此外 , 下降 曲线 的 分析表明 模拟的 冷却速率高于真正的读数。 不同的原因导致 这种差异。该模型并不 包含 聚合物凝固 时 相位和属性改变 。 此外 , 粗糙的没有像数字模拟考虑的那样 提高理想的接触面 。 另一 个影响结果的原因是电脑模拟是以对梯度材料的估算为基础的 。 功能梯度材料 有它的孔隙度和 在生产过程中产生的 内部裂纹。混合物的规则没有考虑 材料 这 些 空隙 。 内含 的注塑和 仿真结果 差异较小 ,因为 微观结构 没 有内部空隙 。确认了这个理论 ,对比结果表明 ,冷却曲线的 特性 相当 ,但 数字模拟模型得到的 功能梯度材料 的曲线 有一个小小的差别。因为 通过 真实数据 的 测量能够发现 ，与功能梯度材料相比， 收和储存热量 的本领 。 两种注塑物的 差异显示 在 度最高峰大约 低 七度 。 因为向 加入铜的目的是为了 增加传导性 ,因此有必要模拟条件去比较插入件中传递的热量 。 最终 ,模拟 插入件背面 冷却通道 的 计算结果 表明 与纯粹的 50%从部件中传递热的能力更强 。 正如 数值 和实际 实验的结果 ，功能梯度 材料模具的吸热能力比纯粹的 差示扫描量热分析的结果 也就不足为奇。 虽然 50%合 物的 性能 未知 ,但与 纯铜 的 热性能 相比，说这些特性比期望的弱是 合理 的 。 在 先前的工作 中， 其中一些 可能会影响结果 的 因素已经被证实 (15)。 不同比例的铜和 微结构 的 孔隙度 影响 了 热性能 。 生产 过程 的 优化 可以降低这些孔洞 并且 增加材料的特性。 虽然结果 表面 导电率比预期的要低 ,但是仍然能说明能够使用冷却通道来 使 模具 具有 不同冷却率 。 将功能梯度材料 和形冷却结合能 够带来明显的有利优势来 改善散热 ,尤其是 深的凹槽 ,薄 壁以及 高度复杂的 部件 。 含 铜 量较高 可能增加 这些 区域的热传递能力 。即便如此 , 机械性能 必须 必须引起关注，人们希望得 到更软和更光滑的材料 。 鸣谢 作者想感谢 来自 西 教育科学技术部 )筹集资金的支持。也特别感谢 参考资料 1 G. 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