外文翻译--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 中文版

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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