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[研讨会论文] 【视频】直接金属雷射烧结技术(DMLS)应用于高阶模具设计制造

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发表于 2011-8-15 13:24:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

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中文摘要
本篇论文将以德国EOS公司发展的雷射烧结方式呈现"e制造(e Manufacturing)"的优势,发展出的”直接金属雷射烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)”的高阶模具技术,可以直接烧结各种金属粉末,有青铜合金(DM20)、铝硅镁(AlSi10Mg)、不锈钢(Stainless Steel)、模具钢(Maraging Steel)、钛合金粉末(Ti64/TiCP),适用于发展各氏高阶模具与特殊应用领域,在航天工业、医疗领域及精密模具工业都有极佳之应用。本篇论文亦探讨EOS在”异型冷却水路”之实施方法与案例介绍,如何达到最佳冷却效果,提升射出效率射出质量。同时,导入复合式模具设计(Hybrid Tooling),探讨如何善用DMLS优势技术,提高产值与射出质量。掌握相关的制程参数,进而优化模具的冷却与加热系统,提升产品质量与生产效率。


关键词:
直接金属雷射烧结技术(DMLS)、异型冷却水路(Conformal Cooling Channel)、以设计为导向的制造(Design Driven Manufacturing)

一、前言
一般的产品开发专业人员往往为了塑料模具射出成型的诸多限制,导致于产品的创新性、造型变化度受到很大限制。本篇报告将以德国EOS公司发展的雷射烧结方式呈现"e制造(e Manufacturing)"的优势,发展出的”直接金属雷射烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)”的高阶模具技术,可以直接烧结各种金属粉末,如铜合金(DM20)、铝硅镁(AlSi10Mg)、不锈钢(Stainless Steel)、模具钢(Maraging Steel)、钛合金粉末(Ti64/TiCP),以发展高阶模具技术。本篇论文主要探讨EOS在”异型冷却水路”之实施方法与案例介绍,分享如何达到最佳冷却效果,提升射出效率射出质量。同时,导入目前在欧洲2011 K Show大放异彩的复合式模具设计(Hybrid Tooling),如何善用CNC与DMLS两大优势技术,提高产值与射出质量。掌握相关的制程参数,进而优化模具的冷却与加热系统,提升产品质量与生产效率。

 楼主| 发表于 2011-8-15 13:24:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 ACMT 于 2011-8-15 14:53 编辑

二、EOS雷射粉末烧结技术之原理
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图1. EOS雷射成型原理

应用雷射烧结原理,根据3D模型切层后的二维几何形状,透过光学系统聚焦投射在工作物表面,使粉末烧结或融化成形。根据不同Z轴高度的二维形状依序成型,逐渐堆栈成立体成品。
一般而言,雷射EOS烧结的方法非常多元,如图2所示。以烧结材料作区分。可以烧结的材料有:单一成份的元素(single component)或多种元素(multiple component)组成的粉末;聚合物、金属、陶瓷、复合材料(composite);纯金属(pure metal)、预合金粉末(pre-alloyed)、混合粉末(mix metal powder)、粉末表面被覆着剂(coated metal powder)等。

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图2. Laser Sintering的制程模式多元

DMLS烧结方式则有其独特之处。DMLS采用的是纯金属烧结,烧结过程中不使用氧化物黏着剂(organic binder),因此无需采用二次处理(如渗铜作业或二次烧结),充分达到成型金属改质与强化的最大效益。DMLS所采用的烧结机制有(图3):[1]
1. 多种金属粉末混合的金属融化(melting)或液相烧结(liquid phase sintering),适用于EOS所生产的DirectMetal及DirectSteel粉末。此类烧结会有微细的孔洞,如图3上右方的金相图。
2. 金属粉末完全融化(complete melting)及初级粉末或预合金粉末(elementary or pre alloyed powder)再固化(resolidification)。适用于EOS所生产的CobaltChrome, Stainless Steel, Titanium粉末。此类烧结成品可达100%的致密度,如图3下右方的金相图所示。
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图3. DMLS之金相图,Top: DirectMetal (Bronze based), Bottom: Cobalt Chrome
 楼主| 发表于 2011-8-15 13:25:27 | 显示全部楼层
三、直接金属雷射烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)目前 ...
根据2011 EOS International User Meeting,(IUM)报告,目前EOS已开发出全新M280 System,无论在雷射系统、控制软件、外围设备、可成型的材料、加工能量、精度与速度上,都有很多的进步与提升,如图4.所示。图4详细列出EOS M System从1994南以来的发展历史。从最早期的机种只有DM100青铜材料,粉末平均粒径(particle size)100μm,到目前2011年已将粒径降至20μm。其他材料仍然不断开发中,有工具钢(Maraging steel):MS1、不锈钢(Stainless Steel)从GP1、PH1、一直到316L材料,钴基超合金(Co Superalloys):MP1,牙医专用材料(Dental alloy):SP1, SP2,钛基合金材料(Ti–based alloys):Ti64、TiCP(商用纯钛)、镍基超合金(Ni-based alloys):Inconel 718、Inconel 625等、铝合金(Al alloys):AlSi10Mg等。目前仍持续不断研发提升现有材料。
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图4. EOS M系统的开发历程

目前全新的EOS M280系列在雷射加工路径上具有多项创新特色,如图5所示。最新的DMLS技术已发展出优化”Edge”功能!针对精致特征的角隅(corner),以最小雷射固化宽度(minimum curing width)以达到最佳之特征!
另一“Rot”功能采用交错的雷射路径于连续不同层之成型固化模式,运用”Stripes and Chess”的模式,在连续之固化层,以67。的方式呈星条交错与棋盘式的路径扫瞄,不仅在XY方向达到最好的成型稳定性,在Z轴方向同时也达到最佳固化效果。
各式新材料也陆续在EOS M280系统实现。图6有Inconel 625材料、CoCr牙医专用材料、Hastalloy X合金、一般型之不绣钢316L与医疗用316L也已开发!为了达到更快速的加工量,400W雷射之Speed及Top Speed模式也陆续开发完成!
除此之外,EOS目前更与多家材料研发厂商合作开发贵金属材料及陶瓷材料! 18K黄金、铜钨合金(Cu-W mixture)、Al2O3及SiO也开发成功!如图7所示。
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图5. EOS M280系统最新的制程优化技术

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图6. EOS M280系统目前正研发的各式材料

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图7. EOS M系统可制做的各式材料
 楼主| 发表于 2011-8-15 13:25:58 | 显示全部楼层
本帖最后由 ACMT 于 2011-8-15 14:54 编辑

四、e制造((e Manufacturing))的观念与具体作法,如何达到最经济的产品开发效果

一般制造上的思维模式,大抵以制造导向为主,因此许多设计因无法有效制造而无法被开发!EOS首先提出e-Manufacturing的观念与具体作法!为了满足市场多变的设计需求,需从”制造导向设计”(Manufacturing-Driven Design)提升至”设计导向制造”(Design-Driven Manufacturing),方可满足目前的设计需求。
图8是”模具生产”与”雷射烧结”两种量产制造技术的比较图!其中绿色的雷射烧结技术,适用于左边的产量较少的领域中;红色的模具生产技术则适用于产量较大的领域中。当模具的造型复杂度愈高时,雷射烧结的适用范围则往上提升!如图9所示!
”雷射烧结” 与”模具生产”两种量产制造技术的单位成本比较分析,如图10所示。雷射烧结技术维持一定的水平线,代表单位成不受模具复杂度的影响!早期的雷射烧结技术适于的产量(N)大约是年产量几十件至几百件(several tens to several hundreds)!目前适于的产量(N)已达1万多件(年产量)!

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图8. ”雷射烧结” 与”模具生产”两种量产制造技术的适用区域比较图

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图9. 模具愈复杂时,雷射烧结技术的适用范围相对提升

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图10. ”雷射烧结” 与”模具生产”两种量产制造技术的单位成本比较

EOS所提供的雷射烧结技术服务可提供完整的产品性质信息服务(Part Property Profile, PPP)。图11的E2E模式提供完整的产品信息服务,PPP扮演材料信息中心(material data center)给工程师进行开发,产品的开发是由消费者主导开始的! PPP也提供EOS设备进行制造与

质量确认服务。此一全新的产品开发服务,PPP建立标准化使企业获利,如材料性质表(material data sheets)、加工参数(parameter set)、软件系统(PSW)、加工报告表(EOSTATE part report),所有的开发者将得到完整的信息服务,如图12所示。

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图11. E2E模式提供完整的产品信息服务

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图12. 产品性质信息(Part Property Profile, PPP)建立标准化使企业获利

 楼主| 发表于 2011-8-15 13:26:31 | 显示全部楼层
本帖最后由 ACMT 于 2011-8-15 13:32 编辑

五、异型冷却水路(Conformal Cooling Channel)
DMLS最大的应用之一是可设计”异型冷却水路(Conformal Cooling Channel)”,达到最佳冷却效果,提升射出效率。由于传统的CNC加工有许多先天上的限制,使得异型冷却水路无法顺利完成,导致射出成型过程中冷却效果不彰,成品发生翘曲(warpage0、短射(short shot)、烧焦(burn mark)、融合线(weld line)、飞边(flash)、散热不均(sink mark)等现象[2]!
图13所示的异型冷却水路方法步骤图,工程师可选择在公模侧或母模侧(或两侧)进行水路设计!一般而言,在公模侧进行异型冷却水路设计,可以改善上述的射出缺点!母模侧保留简单的冷却水路设计,以达到最佳的ID表面!
德国LBC公司目前使用DMLS技术完全发挥异型冷却水路的最佳效益!图14为公母模(core & cavity)同时采用异型冷却水路的方式,随后采用DMLS技术直接烧结4套模具。此一作法大幅缩短从开模、备模、修模的时间。
由于产品几何造型之限制,为了达到最佳冷却效果,必需进行椭圆(ellipse)冷却水路设计,采用1.3mm*1.8mm椭圆断面(等于φ1.3mm直径),两个冷却闭回路设计(closed loop),分别是1*4次及1*5次冷却回路,冷却水压是6 bar,总长达到12.m,冷却媒介是水!如图15所示。



图13. 异型冷却水路方法步骤



图14. 异型冷却水路设计与DMLS制作



图15. 德国LBC公司冷却水路设计

异型冷却水路设计的经典范例如图16所示!共有8个直径0.3mm的冷却水路,总长达10m的冷却水路设计,同时确保各段的流通水压都相同,以达到最佳冷却效果!
DMLS突破了制造上的瓶颈,使各种断面形式的冷却水路得以实验!图17所示是各种几何断面形状的冷却水路设计!以往CNC加工只能制作圆形或对称形状的水路,使用DMLS后,水路设计几乎毫无限制!换言之,应用特殊几何断面的冷却水路,因为雷诺数增加(higher Reynolds number),使得冷却水路产生紊流(turbulence),达到更佳的冷却效益!
更为有趣的例子,如图18所示。如果模具中的两顶针(ejector)之间的空间非常窄,模仁厚度又无法增加的情形下,藉由DMLS的加工方式达到改变冷却水路断面的设计。当改变这种断面形状时,需维持一定的断面面积,以避免流动阻力产生(flow braking effects) [3]



图16. 异型冷却水路设计的经典范例



图17. 各种几何断面形状的冷却水路设计



图18. 多变的冷却水路设计以符合两顶针(ejector)之间的空间流过

 楼主| 发表于 2011-8-15 13:27:04 | 显示全部楼层
六、复合式模具(Hybrid Tooling)设计与制作
在高度复杂的模具工业中,DMLS非常适于局部的模具制作,尤其在大型模具开发中!由前所述,由于DMLS的每层烧结采液相烧结或金属粉末完全融化(complete melting),成型时间较长。因此,综合运用CNC与DMLS可以发挥模具制做的最大效益!图19的大面积处使用CNC加工,Insert部份使用DMLS成型! [4]
图20所使用的材料是青铜材料DirectMetal 20制做完成的模仁,模座则采CNC加工,模具开发时间缩短至5天,量产数可达25,000件射出件! [5] [6]
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图19. 综合运用CNC与DMLS可以发挥模具制做的最大效益

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图20. DirectMetal 20制做的模仁

德国LBC公司使用CNC与DMLS技术所发展出的Hybrid Tooling方式成功开发射出模具产品,如图21所示。其详细方法及流程详细记载成九个步骤。其关键部份是单纯而简单的模仁(core)采用CNC加工制做,异型水路的部份则采用DMLS方式加工。
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图21. 德国LBC公司使用Hybrid Tooling方式成功开发射出模具产品

 楼主| 发表于 2011-8-15 13:27:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 ACMT 于 2011-8-15 13:28 编辑

七、结论
近年来EOS除了精密模具工业有非常独特的应用,在航天工业、医疗领域都有极佳之发展。图22的范例系说明德国自动化设备大厂FESTO使用EOS e-Manufacturing所开发的机器手臂,模拟大象的鼻子结构达到极佳的自由度。同时,采用类似的结构开发出义肢,由于EOS常用的PA2200材料有很好的生物兼容性与结构强度,完全不用金属材料即可发挥支撑人体重量之效果。在可以预见的未来,EOS将全面融入各产业之应用中。

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图22. EOS e-Manufacturing的最新发展

八、参考文献
1. Joseph Wilhammer, International User Meeting, IUM, Germany, Bad Worihofen, April, 2011.
2. Siegfried Mayer, Whitepaper of Optimised mould temperature control procedure using DMLS, EOS GmbH Electro Optical Systems, Robert-Stirling-Ring1, D-82152, Krailling/Munich, Germany
3. Optimised Mould Temperature Control, Ersetzt, Replaces ATI 1104 d,e vom /dated 30.11.97, Application Technology Information, Bayer.
4. Joseph Weilhammer, Advanced Tooling with DMLS,
5. EOS GmbH, D-Krailling / München, Asia User Meeting, 18.01.2008.
6. Design Rules for DMLS, SW / 02.04 / en, EOS GmbH - Electro Optical Systems
 楼主| 发表于 2011-8-15 13:28:56 | 显示全部楼层
研讨会现场录像:

【一】直接金属雷射烧结技术(DMLS)应用于高阶模具设计制造

http://player.youku.com/player.php/sid/XMjg4OTg2OTgw/v.swf



 楼主| 发表于 2011-8-15 13:29:27 | 显示全部楼层
【二】直接金属雷射烧结技术(DMLS)应用于高阶模具设计制造
http://player.youku.com/player.php/sid/XMjg4OTg5Nzc2/v.swf
 楼主| 发表于 2011-8-15 13:31:47 | 显示全部楼层
论文下载:
CMC2011-A03-直接金屬雷射燒結技術(DMLS)應用於高階模具設計製造.pdf (1.19 MB, 下载次数: 205)
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