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M280 直接金屬雷射燒結 (DMLS)

 

直接應用於金屬模具、治具、零配件、醫療植入物、牙體及植入物,和終端產品生產之雷射燒結技術!
目前EOS已開發出全新M280 System,無論在雷射系統、控制軟體、週邊設備、可成型的材料、加工能量、精度與速度上,都有很多的進步與提昇。
從最早期的機種只有 DM100 青銅材料,粉末平均粒徑 (particle size) 100μm,到目前 2011 年已將粒徑降至 20μm。其他材料仍然不斷開發中,有工具鋼 (Maraging steel):MS1、不鏽鋼 (Stainless Steel) 從 GP1、PH1、一直到 316L 材料,鈷基超合金 (Co Superalloys):MP1,牙醫專用材料 (Dental alloy):SP1, SP2,鈦基合金材料 (Ti–based alloys):Ti64、TiCP (商用純鈦)、鎳基超合金 (Ni-based alloys):Inconel 718、Inconel 625等、鋁合金 (Al alloys):AlSi10Mg等。目前仍持續不斷研發提昇各種材料。
 
M280 直接金屬雷射燒結技術 (DMLS) 應用於高階模具設計製造 異型冷卻水路 (Conformal Cooling Channel)
DMLS最大的應用之一是可設計”異型冷卻水路 (Conformal Cooling Channel) ”,達到最佳冷卻效果,提昇射出效率。由於傳統的 CNC 加工有許多先天上的限制,使得異型冷卻水路無法順利完成,導致射出成型過程中冷卻效果不彰,成品發生翹曲 (warpage0、短射(short shot) 、燒焦 (burn mark) 、融合線 (weld line) 、飛邊 (flash) 、散熱不均 (sink mark) 等現象。異型冷卻水路方法步驟圖,工程師可選擇在公模側或母模側 (或兩側)進行水路設計!一般而言,在公模側進行異型冷卻水路設計,可以改善上述的射出缺點!母模側保留簡單的冷卻水路設計,以達到最佳的 ID 表面。
德國 LBC 公司目前使用 DMLS 技術完全發揮異型冷卻水路的最佳效益!圖14為公母模 (core & cavity) 同時採用異型冷卻水路的方式,隨後採用 DMLS 技術直接燒結4套模具。此一作法大幅縮短從開模、備模、修模的時間。由於產品幾何造型之限制,為了達到最佳冷卻效果,必需進行橢圓 (ellipse) 冷卻水路設計,採用1.3mm*1.8mm 橢圓斷面 (等於1.3mm直徑) , 兩個冷卻閉迴路設計 (closed loop) ,分別是1*4次及1*5次冷卻迴路,冷卻水壓是6 bar,總長達到12.m,冷卻媒介是水。
異型冷卻水路方法步驟
異型冷卻水路設計與DMLS製作
德國LBC公司冷卻水路設計
 
異型冷卻水路設計的經典範例。共有8個直徑0.3mm的冷卻水路,總長達10m的冷卻水路設計,同時確保各段的流通水壓都相同,以達到最佳冷卻效果。
DMLS突破了製造上的瓶頸,使各種斷面形式的冷卻水路得以實驗!各種幾何斷面形狀的冷卻水路設計。以往CNC加工只能製作圓形或對稱形狀的水路,使用 DMLS 後,水路設計幾乎毫無限制!換言之,應用特殊幾何斷面的冷卻水路,因為雷諾數增加 (higher Reynolds number),使得冷卻水路產生紊流 (turbulence),達到更佳的冷卻效益。更為有趣的例子。如果模具中的兩頂針 (ejector) 之間的空間非常窄,模仁厚度又無法增加的情形下,藉由 DMLS 的加工方式達到改變冷卻水路斷面的設計。當改變這種斷面形狀時,需維持一定的斷面面積,以避免流動阻力產生 (flow braking effects)
異型冷卻水路設計的經典範例
各種幾何斷面形狀冷卻水路設計
多變的冷卻水路設計以符合兩頂針之間的空間流過
 
複合式模具(Hybrid Tooling)設計與製作
在高度複雜的模具工業中,DMLS非常適於局部的模具製作,尤其在大型模具開發中!由前所述,由於DMLS的每層燒結採液相燒結或金屬粉末完全融化(complete melting),成型時間較長。因此,綜合運用CNC與DMLS可以發揮模具製做的最大效益!圖19的大面積處使用CNC加工,Insert部份使用DMLS成型 。 圖20所使用的材料是青銅材料DirectMetal 20製做完成的模仁,模座則採CNC加工,模具開發時間縮短至5天,量產數可達25,000件射出件。
綜合運用CNC與DMLS可以發揮模具製做的最大效益
DirectMetal 20製做的模仁
德國LBC公司使用CNC與DMLS技術所發展出的Hybrid Tooling方式成功開發射出模具產品,其詳細方法及流程詳細記載成九個步驟。其關鍵部份是單純而簡單的模仁(core)採用CNC加工製做,異型水路的部份則採用DMLS方式加工。

德國LBC公司使用Hybrid Tooling方式成功開發射出模具產品 (本文資料部分取自LBC,EOS公司))

 

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