[01166212]复杂结构随形冷却模具激光选区熔化增材制造关键技术与应用

1、课题来源与背景 随着时代的发展,中国逐渐成为模具制造业的大国,产业逐渐从欧美发达国家向中国倾斜。模具制造业在国民经济中一直处于着重要的地位,在工业发展的道路上做出了不可磨灭的贡献,被誉为制造业的重要基石。3D打印技术的发展推动了模具制造业的进步,可以高效地生产复杂结构、质量优异的产品。项目来源于东莞理工学院自选项目,“复杂结构随形冷却模具激光选区熔化增材制造关键技术与应用的研究”,项目起止时间为2017年3月至2021年3月。 2、技术原理及性能指标 （1）技术原理 1)利用配置空间法的原理构建冷却系统设计水路通道布局,在配置空间构建流程中加入遗传算法来验证布局设计过程的合理性,利用有限元模拟的方法求解注塑成型过程中产品及模具内部的传热机制,进一步优化水路布局。 2)依据凝固原理,研究SLM工艺参数对熔池微观形貌的影响机理,重点研究激光功率对液态熔池润湿铺展性的影响机理,分析其对孔洞、微裂纹等的产生机制。研究打印后处理工艺机理,为具体工艺参数的制定提供理论基础。 3)以深度学习方法为理论基础,提出多源信息融合的SLM装置性能的在线智能监测技术。在模具内部设计并搭建基于Kistler的温压一体传感器,实现在线监控,保证工艺的稳定性和装置的智能化。 （2）性能指标 本项目设计研发了SLM制造椭球面反光镜随形水路模具,经检测,其外观质量：球面表面光滑、无划痕;表面粗糙度：＜10nm;拉伸性能：抗拉强度1970MPa,屈服强度1930MPa,断后伸长率5.5%;冲击功：49.1J;硬度：53HRC;尺寸及几何公差：面型PV＜5μm;长度及角度尺寸公差：±0.02mm;粉末粒度与分布：15–50μm;振实密度：4.53g/cm3;零件密度：8g/cm3;无损检测：无明显缝隙;应力检测：残余应力＜100MPa;产品表面最大温差：4.6°C;模面温差：2.3°C;冷却通道入水口与出水口温差：1.5°C。通过以上检测,实现了对SLM成形件微观组织、内部冶金缺陷、成形质量的有效控制,完成目标件的控形、控性高质量成形。 3、技术的创造性与先进性 （1）提出一种独特的支持布局设计的配置空间法,得到布局设计的所有可行性方案,合理设计复杂结构随形冷却水路样式。将配置空间法的水路布局与梯度演算法及路径搜索法的水路型式相结合,经模流分析进一步验证优化,有效、快速地设计最佳冷却水路。 （2）通过研究4种模具钢的SLM成形技术,阐明了成形工艺参数对致密度、显微组织和力学性能的影响规律,以及随形水路特征结构对成形件质量的影响机理,研究了SLM成形件与模具零件嫁接工艺机理,揭示嫁接界面冶金行为特征。 （3）通过随形水路设计及SLM工艺参数的研究,制备椭球面反光镜随形冷却水路模具,并创新性地提出自适应螺旋连续切片、环形循环连续铺粉、三头螺旋连续扫描的高效率粉末床激光成形方式,搭建High-Net智慧工厂管理系统与智能控制系统,全方位控制产品质量与生产。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目的成果技术水平处于国际先进水平,并在技术应用领域和市场开辟方面极具前瞻性。适用于3D打印模具企业,成果已成功在多个企业进行应用,取得了良好的经济效益。推动了随形水路模具的设计与制造,促进了相关产业升级,提高了企业的效率和利润,并且本项目的技术应用在模具企业具有良好的安全性。 5、应用情况及存在的问题 项目研究成果在项目组单位获得成功的应用,并在深圳市海德模具有限公司、东莞市慧云科技有限公司、东莞市三嘉光学科技有限公司、深圳市金三维模具有限公司、深圳市杰美晟模具有限公司进行推广应用,取得了良好的经济效益。本研究成果推动了随形水路模具的设计与制造,促进了相关产业升级,提高了企业的效率和利润。项目符合我国政府坚持自主创新的政策,对提升我国相关领域的科技实力具有重要作用,具有显著的社会效益。 注射模的致密度会影响模具的透气性,传统的模具排气方法主要是通过模具分型面或者在模具表面加工排气槽排气,如果能够借助3D打印技术改善模具零件的致密度并根据注塑工艺需求调整零件不同部位的致密度,增加透气性,会有助于提高注射成型塑件质量。 6、历年获奖情况 无 7、成果简介 项目授权发明专利5件、实用新型专利12件,登记软件著作权2项,具有自主知识产权,创新性强。项目参与起草国家标准1项,牵头起草团体标准2项,发表论文10篇。