透气金属模具及其制备方法

技术领域

本申请涉及模具领域，尤其涉及透气金属模具。

背景技术

利用气体分子平均自由程小于孔隙，透气金属模具在生产环节气体可以顺利的在困气处及时排出，可避免注塑困气问题，提高注塑产品质量及成品率。良好的透气性能可改善模具型腔内外压差，提高模具开模效率，减少脱模损耗，有利于降低能耗、减少缺陷、优化模具结构、提高生产效率。为达到上述目的，理想的透气金属模具内部需均匀分布着大量相互联通的微孔。

目前，透气金属模具的加工方法多采用粉末冶金、选区激光熔化增材制造等方法，这些技术在制造透气金属模具时存在不同程度的技术难点，所制造的孔洞无法空间复杂分布。粉末冶金通过调控粉末的平均粒径、装载率、松装密度，添加一定比例的发泡剂，在烧结时引入大量孔洞缺陷，制备具有微孔的金属烧结样品。但这种方法制造的孔洞互联程度低，孔洞分布随机无规律，因此透气性能难以进一步提升。

发明内容

本申请实施例提供了一种透气金属模具及其制备方法，以解决现有透气金属模具孔洞互联程度低的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种透气金属模具，所述透气金属模具由若干相互层叠的沉积层组成，所述沉积层的材料包括金属粉末和化学粘接剂，至少一沉积层的表面设置至少一条槽道。

在本申请的一些实施例中，所述金属粉末的粒径不大于45um。

在本申请的一些实施例中，所述槽道的宽度为30-1000μm。

在本申请的一些实施例中，所述沉积层的厚度为0.05-2.0mm。

在本申请的一些实施例中，所述金属粉末为不锈钢粉末。

第二方面，本申请实施例提供一种透气金属模具的制备方法，所述方法包括如下步骤：

以金属粉末和化学粘接剂的混合物为原料，按照预设的沉积路径通过3D打印制备沉积线，使多条沉积线组成沉积层；

用激光在打印得到的沉积线上加工，将加工处的化学粘接剂蒸发掉，使所述金属粉末塌陷形成槽道；

通过上述步骤制备若干相互层叠的沉积层，形成生坯；

将所述生坯脱脂和烧结，获得所述透气金属模具。

在本申请的一些实施例中，所述打印所用的喷头的直径为0.15-2mm，所述喷头在进行所述打印时的温度为80-240℃，打印速度为1-100mm/s。

在本申请的一些实施例中，所述激光通过激光器提供，所述激光器为紫外激光器或红外激光器。

在本申请的一些实施例中，所述激光器的功率为10～100W，所述激光器聚焦光斑直径为30-1000μm，所述激光器的工作方式为脉冲式或连续式。

在本申请的一些实施例中，所述脱脂为溶剂脱脂、热脱脂、催化脱脂中的至少一种，所述烧结的峰值温度高于所述金属粉末熔点的70％。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请提供的透气金属模具，由若干相互层叠的沉积层组成，且沉积层的表面设置有槽道，槽道在相邻的沉积层之间起到气流通道的作用，能够有效地增加金属模具的孔洞互联程度，使得所述透气金属模具的透气性更佳。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的沉积层的结构示意图；

图2为本申请实施例1提供的透气金属模具的结构示意图；

图3为本申请实施例2提供的透气金属模具的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

现有的透气金属模具存在孔洞互联程度低的技术问题。

本申请实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

第一方面，本申请实施例提供一种透气金属模具，请参考图1～3，所述透气金属模具由若干相互层叠的沉积层1组成，所述沉积层1的材料包括金属粉末和化学粘接剂，至少一沉积层1的表面设置至少一条槽道2。

将所述透气金属模具的结构设置为多层沉积层1相互层叠的形式的目的是，便于在每一沉积层1形成后，在沉积层1的表面加工出槽道2。

本申请所述的沉积层1可以通过本领域的一般方式形成，例如3D打印，喷涂、辊涂。

本申请所述的槽道2可以通过本领域的一般方式形成，例如机械加工、激光处理、化学腐蚀。

本申请所述的金属粉与化学粘接剂均可选自常规的透气金属模具原料。

在一些实施例中，不处于最上层的沉积层1的表面均设置有槽道2。

本申请提供的透气金属模具，由若干相互层叠的沉积层1组成，且沉积层1的表面设置有槽道2，槽道2在相邻的沉积层1之间起到气流通道的作用，能够有效地增加金属模具的孔洞互联程度，使得所述透气金属模具的透气性更佳。

在本申请的一些实施例中，所述金属粉末的粒径不大于45um。

所述金属粉末选用上述粒径的有益效果是，一方面金属粉末之间的缝隙大小适中，适用于注塑，配合所述槽道2又能起到很好的透气效果；另一方面此粒径适用于3D打印。

在本申请的一些实施例中，所述槽道2的宽度为30-1000μm。

在本申请的一些实施例中，所述沉积层1的厚度为0.05-2.0mm。

在本申请的一些实施例中，所述金属粉末为不锈钢粉末。

第二方面，本申请实施例提供一种透气金属模具的制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1：以金属粉末和化学粘接剂的混合物为原料，按照预设的沉积路径通过3D打印制备沉积线，使多条沉积线组成沉积层1；

S2：用激光在打印得到的沉积线上加工，将加工处的化学粘接剂蒸发掉，使所述金属粉末塌陷形成槽道2；

S3：通过上述步骤制备若干相互层叠的沉积层1，形成生坯；

S4：将所述生坯脱脂和烧结，获得所述透气金属模具。

本申请选用3D打印的制备方式，工艺难度和成本均较现有技术更低。

在实际操作中，3D打印通过喷头实现，激光通过激光器发射。在喷头按照预定路径打印沉积线时，激光器可以延迟一段时间后延预定路径对所述沉积线进行激光处理，喷头和激光器的运动路径相同，包含喷头和激光器、用于实现本申请所述的方法的设备的实现机械原理就比较简单，实现难度较低。

容易理解，所述预定路径为3D打印的常规设置，3D打印的原理即是使喷头按照预设好的路径行进，并不断打印出线状材料，随着打印的进行线状材料逐渐组合成面状材料。

作为示例，本申请所述的预设路径，可以为往复型路径，请参考图1～图3，相邻沉积层1打印时喷头运动方向相互平行时，得到的透气金属模具如图2；相邻沉积层1打印时喷头运动方向相互垂直时，得到的透气金属模具如图3。

需要说明的是图1和图2的情况均是对本申请实施方式的例举，并不代表任何限制。例如相邻沉积层1的喷头运动方向并不一定要垂直或平行，也可以为任意其它角度；本申请所述的预定路径也不限于往复型路径，一切3D打印的常规方案均适用于本申请。

激光的工作原理是，激光器按照扫描路径对沉积层1进行动态的选择性热处理，通过激光加热作用去除表层粘结剂，表层金属粉末由于缺少粘结剂向下塌陷形成所属槽道2。

脱脂和烧结是透气金属模具领域的常规步骤，本领域技术人员可根据公知常识实施脱脂和烧结。

本申请所述的透气金属模具的制备方法制备得到的透气金属模具属于第一方面所述的透气金属模具。因此，本申请所述的透气金属模具的制备方法具备第一方面所述的全部有益效果，在此不在赘述。

在本申请的一些实施例中，所述打印所用的喷头的直径为0.15-2mm，所述喷头在进行所述打印时的温度为80-240℃，打印速度为1-100mm/s。

在本申请的一些实施例中，所述激光通过激光器提供，所述激光器为紫外激光器或红外激光器。

在本申请的一些实施例中，所述激光器的功率为10～100W，所述激光器聚焦光斑直径为30-1000μm，所述激光器的工作方式为脉冲式或连续式。

需要说明，虽然在本领域中，用激光在3D打印形成的层上加工形成槽道是一种常规的方法，但本申请所述的方法与常规方法的不同之处在于，本申请用激光加工的目的是蒸发掉化学粘接剂，而不是烧蚀3D打印材料本身。其有益效果是，较低功率、结构较简单的激光器即可实施本发明。在通常情况下，激光加工烧蚀3D打印材料的功率几千瓦时，而本申请仅需要10～100W，低了1～2个数量级，一方面降低了激光器购置成本和能耗成本，另一方面结构简单的激光器也更容易安装。

在本申请的一些实施例中，所述脱脂为溶剂脱脂、热脱脂、催化脱脂中的至少一种，所述烧结的峰值温度高于所述金属粉末熔点的70％。

在本申请的一些实施例中，所述化学粘接剂为石蜡、聚乙烯中的至少一种。

下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。

实施例1

选取最大粒径为15μm的H13钢粉末，粉末装载率为50％，将粉末和石蜡高温混炼后，制成打印原料；

选取直径为0.6mm的喷头用于3D打印，打印层厚预设为0.25mm，打印速度预设为20mm/s，打印间距预设为0.6mm，喷头温度预设为80℃，打印过程中喷头进行往复运动。相邻沉积层1在打印时，喷头的运动方向相互平行。

激光器为连续紫外激光器，跟随所述喷头进行往复运动，激光器输出功率设置为20W，光斑直径为150μm，加工打印产生的沉积线的中央；将激光器的初始焦点设置在打印基床上，在每层打印后上升0.25mm高度；将零件模型三维切片，打印材料填充图案采用同心圆式线填充方式，层间相位角不变，开始3D打印，同时激光器开始工作，直至完成生坯样的打印；将生坯样溶剂脱脂、热脱脂和烧结，得到如图2所示的透气金属模具。

实施例2

选取最大粒径为45μm的316L不锈钢粉末，粉末装载率为40％，将该粉末与石蜡和聚乙烯高温混炼后，制成打印原料；

选取直径为1.0mm的喷头用于3D打印，打印层厚预设为0.4mm，打印速度预设为40mm/s，打印间距预设为1.0mm，喷头温度预设为220℃，打印过程中喷头进行往复运动。相邻沉积层1在打印时，喷头的运动方向相互垂直。

激光器为脉冲红外激光器，将喷头旁轴的激光器输出功率设置为30W，光斑直径为300μm，加工频率为50Hz；将激光器的初始焦点设置在打印基床上，在每层打印后上升0.4mm高度；将零件模型三维切片，打印材料填充图案采用往复式线填充方式，层间相位角为90°，开始3D打印，同时激光器开始工作，直至完成生坯样的打印；将生坯样溶剂脱脂、热脱脂和烧结，得到如图3所示的透气金属模具。

本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。对于用“和/或”描述的三项以上的关联对象的关联关系，表示这三个关联对象可以单独存在任意一项，或者其中任意至少两项同时存在，例如，对于A，和/或B，和/或C，可以表示单独存在A、B、C中的任意一项，或者同时存在其中的任意两项，或者同时存在其中三项。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。