對通過塑料注射成型零件的選擇性激光融化生產(chǎn)得到的功能梯度材料插入棒的評估VEBeal1,PErasenthiran2、CHAhrens1,PDickens21.巴西卡特里娜城郊Floriano聯(lián)邦大學(xué)2.英國哈倫大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院之母該手稿收于2006年10月19日,修訂后于2007年3月9日出版。DOI:10.1243/09544054JEM764摘要注塑行業(yè)對生產(chǎn)率和形狀復(fù)雜的需求需要新的研究提高工具設(shè)計、材料和制造。通過功能梯度結(jié)構(gòu)建立注射模具的發(fā)展是其中一個研究領(lǐng)域。例如,具有功能梯度材料建造技術(shù)的模具可以獲得具有較高導(dǎo)熱性的獨特部分。厚的注射部件具有較高的熱傳導(dǎo)率,這有利于生產(chǎn)出更好的和更便宜的聚合物注射模具部件。在以工具鋼為原料制造模具的時候加入銅，有可能獲得不同傳導(dǎo)性的模具。在這篇文章中，我們將為您描述關(guān)于功能梯度材料影響的調(diào)查-工作分成兩部分:一個是Cu分級工具鋼和工具鋼的插入棒的熱數(shù)值分析比較和比較聚丙烯部件模具表面溫度和結(jié)晶度的程度的注射成型試驗。數(shù)值模型用來根據(jù)模具插入材料不同比較模具傳熱性能。之后,建立了一個支持保持功能梯度材料和工具鋼插入棒得到了選擇性激光融合的過程。聚丙烯被注射入注塑件中與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對比。為了觀察分級插入聚丙烯部件的冷卻速度,部件的結(jié)晶度由差示掃描量熱法測量(DSC)測試。也評價了注射周期模具的溫度。結(jié)果表明,Cu-tool測試評分插筋儲倉熱量能力較低。工具鋼中添加銅的混合鋼鐵能更有效地傳遞熱量但是吸收熱量能力低。關(guān)鍵詞:功能梯度材料；注射模具；快速制造；聚丙烯結(jié)晶度1引言注射模具部件的優(yōu)勢取決于三個主要方面:工具成本、注塑模具原料和生產(chǎn)力工具。這三個組合使得在不影響生產(chǎn)力和材料的情況下很難改變部件/模具設(shè)計。因此，必須通過最佳的原材料選擇和部分件和模具設(shè)計獲得工具的耐久性、生產(chǎn)力、成本1。不幸的是,有德限制使得很難找到最好的有前途的解決方案?，F(xiàn)代注射模復(fù)雜性變高,模具設(shè)計師的關(guān)注是如何孕育不產(chǎn)生部分扭曲的部件,從而保持高水平生產(chǎn)率。一個復(fù)雜的渠道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計被用來使冷卻液體從模具中吸取熱量。通道的設(shè)計是困難的，因為它必須用來使噴發(fā)系統(tǒng)作用。頂出針、投影片和氣流門是用來使部件從鑄型腔中噴出避免部件審美方面。根據(jù)部件的復(fù)雜性和形狀,冷卻系統(tǒng)留下的空間小,在模具上不留痕對制造來說并不可行。在許多情況下,當(dāng)高溫均勻提取腔的散熱均衡和生產(chǎn)率未達(dá)成,重新設(shè)計部件幾何從而適合模具的局限性是必要的。另一種解決復(fù)雜的熱問題的方法是使用(Cu-Be)插入1。與一般鋼合金相比Cu-Be嵌入會有更高的導(dǎo)熱系數(shù)、在注射成型周期中,當(dāng)冷卻途徑不起作用的時候他們被使用來從冷卻通道的地區(qū)提取熱量。然而,它們不是環(huán)保的,鈹被引證為是一種致癌因素2。另一限制是因為模具表面基礎(chǔ)材料之間有一個明顯的聯(lián)系，模具的插入會在部件上留下痕跡。此外,需要減少冷卻通道空地插入的特性。到了上世紀(jì)80年代中期，新的被稱為SFF(固體自由形式的制造)的生產(chǎn)技術(shù)出現(xiàn)了3。這些技術(shù)相對于傳統(tǒng)的來說,最主要的區(qū)別在于他們是基于層添加劑的原則。也被稱為快速成型(RP),這些技術(shù)幾乎可以用任何形式或材料小批量生產(chǎn)部件。各類可得的資料是有限的,然而,RP過程可以用金屬、陶瓷、和聚合物建造零件3。因為機(jī)器幾乎能從計算機(jī)軟件生成的數(shù)據(jù)中制造出堅實的部件，總機(jī)技術(shù)的自動化程度很高,而且他們也被稱為“解決三維技術(shù)的打印機(jī)”。設(shè)計師和工程師可以精確、適當(dāng)和無誤解、沒有延遲地建立和驗證設(shè)計部件。RP技術(shù)的基本原理是根據(jù)部件設(shè)計的數(shù)據(jù)建立一層一層的材料。原料物質(zhì)可以為液體樹脂、電線、軟糖、粉末和床上用品。去形成這些材料的方法是多樣的，包括紫外激光、電力激光、噴膠、沉積融合材料等等。這些附加層制造技術(shù)(LMTs)也被應(yīng)用于注塑模具的生產(chǎn)。根據(jù)用于建筑工藝及材料、錯綜復(fù)雜的模具槽(注射部分)和注射的材料,這些模具與傳統(tǒng)模具相比具有競爭力。根據(jù)技術(shù),材料和應(yīng)用，它可以建造12到一萬個部件的模具4,5。用于SFF建立注塑模具的有趣技術(shù)是常規(guī)的冷卻渠道。渠道是在沒有考慮傳統(tǒng)的制造方法的局限性的情況下在模具中設(shè)計的。常規(guī)的冷卻渠道可以遵循冷卻通道模具的表面,與正常模具相比，生產(chǎn)時的引射系統(tǒng)限制較少。不幸的是,由于頂出系統(tǒng)和部件的一些功能,例如深層可能不受渠道散熱能力的影響，它們?nèi)匀皇怯邢薜?。為克服這些限制,使得運用SFF技術(shù)通過功能梯度結(jié)構(gòu)來建立注塑模具變?yōu)榭赡?。在過去的25年里功能梯度材料已經(jīng)成為研究的問題6。大部分的天然材料,如礦物質(zhì)和組織逐漸從一個功能區(qū)變化到另一個地方。這個自然的例子激發(fā)同一個部件/單位的整合模式與功能設(shè)計。就生產(chǎn)工藝來說，功能梯度材料并不完全是新的,但是僅僅是20世紀(jì)80年代后,它開始被更多的關(guān)注并且被分類為一個特定研究主題。功能梯度材料的基本理念是通過豐富特定區(qū)域成分來得到不同特性,從而提高部件的質(zhì)量。這個成份可能是一種基本元素,如碳只能被用來增加鋼在表面的硬度。另一個例子就是哺乳動物外面到內(nèi)側(cè)孔隙度變化的骨頭。外面的低孔隙度的剛度增加了他的腦骨，但是提供了到內(nèi)的聯(lián)系。骨的核心是多孔性,從而允許重量效率。利用該材料從一處到另一個地方的變化,可以獲得優(yōu)化組件。減少關(guān)節(jié)的數(shù)量和緊固件,減輕質(zhì)量,結(jié)構(gòu)提高,微分散熱、熱屏障,嵌入式傳感器,種植生物相容性的使用都是功能梯度材料的潛在優(yōu)勢6-8。功能梯度材料在相同的組成部分也能逐漸加入不同性質(zhì)的不同材料,原則是與復(fù)合材料類似。不同的是,復(fù)合材料是一種具有獨特的階段,在改變他們大量各組成部分的成分方面不能行。盡管功能梯度材料的概念非常簡單,多數(shù)潛在的功能梯度材料的應(yīng)用由于科技的限制,工程造價高而受到限制。在控制和沉積梯度組成和配合計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)生產(chǎn)復(fù)雜的形狀,計算機(jī)輔助制造(CAM),FEA(有限元分析)方面的困難都是使用受到限制的部分原因。很多研究人員已經(jīng)研究了使用技術(shù)生產(chǎn)零件9。因為RP技術(shù)可以制造曲面零件,處理不同的材料,可以用他們來生產(chǎn)功能梯度材料。大多的研究人員通過一種激光束提供的熱源制備研究LMTs功能梯度材料的形成過程。由于激光器自動化很容易，并能精確和高速度地提供高能量密度，他們幾乎可以處理任何材料10。功能梯度材料和RP的另一個方面是材料中經(jīng)常使用的粉末狀或事先融合燒結(jié)下的光斑。局部組成控制（LCC）是使用快速生產(chǎn)加工和制造技術(shù)生產(chǎn)功能梯度材料零件的主要問題。這方面牽涉到通過控制加入材料的每個部分或?qū)訁^(qū)域的百分比的原則。一些研究者11，12用微型漏斗，噴嘴及毛細(xì)管，控制沉積層中的粉末。Ensz等人13在激光網(wǎng)絡(luò)成型（LENS）梯度工程過程研究了兩個粉流的優(yōu)化來構(gòu)建H13到M300的鋼合金。此外，代表分級幾何的計算方法一直是研究的課題。取得了有限元和體素空間幾何數(shù)據(jù),Cho等人14通過印刷工藝有限責(zé)任公司研究了三維幾何形狀和材料。通過這種方法，有可能用不同的容量梯度來數(shù)字化地代表3D零