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附录A 译文
物品工具寿命性能的注塑模具，通过选择性激光熔化进行高批量生产
摘要：快速制模工艺正在发展，被证明是一种可靠的方法，可与减法制模技术竞争。本文研究了由选择性激光熔化（SLM）制造的注塑模具镶块大批量生产的部件。到目前为止，其他研究人员主要集中于研究将添加剂制造技术用于注射成型以实现小批量组件生产，而不是大批量生产。在这项研究中，SLM技术已用于制造四个几何结构相似的不锈钢316L工具镶块，用于售后汽车配件。对SLM刀具镶块进行了评估，以分析成功注射的最大数量和性能质量。进行了显微组织检查和化学成分分析。在硬度测试和尺寸精度方面，在注射成型前后对四种工具镶块进行了性能测试。首次报告，四个SLM刀具插入件成功生产了150000个注射产品。考虑到高水平的要求，在实际操作条件下对刀具镶块性能进行了监控。在本研究范围内，SLM被证明是一种可靠的大多数零件几何形状的制造技术，也是汽车售后部门大容量注塑模具减法制造的有效替代方法。
关键词：快速工具;添加剂制造;选择性激光熔化;注塑成型;工具插入物;汽车行业。
- 介绍
选择性激光熔化（SLM）是一种添加剂制造（AM）工艺，通过使用激光束选择性地熔化金属粉末，形成近净形状的分层组分，其通常需要用于表面染料改善的净处理。直接从CAD数据转三维（3D）功能性金属部件。AM工艺促进了几何复杂部件和自由形状设计，而不是与传统减法加工一样有局限性。尽管有这些积极的方面，AM技术仍然表现出了必须解决和克服的缺陷。研究已经讨论了一种改善AM技术的方法，在制造的金属零件上提供更高品质的表面光洁度。目前在这方面，AHN和Yakout等人表示这些商业上的AM技术都没有生产不需要进一步后处理的净形部件。此外，Guo等人提到，由于低尺寸精度和表面质量差，AM过程制造的部件可能需要进行后处理。相反的是Gokuldoss等人认为SLM技术倾向于产生准确的部件或需要最小耐受性的部件。AM的技术正在改善，以提高表面的尺寸精度和耐用性，机械加工研究的进展也在进行中。
尽管为了避免使用工具，人们一直在寻找合适的替代品，但在大多数情况下快速制造是一种替代品，这一点无法克服Wohlers所示的工具问题。由于速度和成本的优势，模具对于许多行业任然是必不可少的关键。模具制作是一种复杂的程序，并要求使用高端技术和技术人员;因此，行业正在寻求使用计算机数控（CNC）机器，以生产高质量的零件，但尽管加工部件的时间较长和工具的成本较高。但是，最近的研究已经证明了在小批量生产的工具制作过程中纳入了AM是成功的。
研究人员表明，快速的工具（RT）是一种具有巨大潜力的技术，显著的降低了产品开发周期，最终产生成本和时间的效益。Wohlers表示，AM作为一种可以生产工具的技术，在生产工具刀片方面具有巨大的潜力，不应该被忽视。快速工具制造有两种方法：直接工具制造和间接的工具制造。Ding等人和au等人表示，直接加工不需要生产图案，因为刀具插入件是直接生产。每种材料的使用取决于制造商所需的潜在特性和生产量的大小。相反，间接加工需要使用主图案，该主图案可以使用诸如选择性激光烧结（SLS）或立体光刻（SLA）等附加制造方法来生产。
长期稳定的工具应该能够在最终磨损之前生产数千个零件。 Levy等人和Kruth等人，强调了模具应用的重要性，尤其是在注射成型方面，而其他技术如金属板形成和锻造模具被认为是小批量生产。 Rahmati＆Dickens 回顾了了以前成功的注塑模具小批量生产研究。 kashouty等人提出了一项对比研究，通过制造两个相同的工具插入件来评估加法和减法制造技术，这两个工具插入件生产了500个注射组件。其他研究专注于产生500个部件，并在进行必要测试时以获得所需数据的同时，将工具置于严重的应力和热条件下。此外， 在注射过程中，进行了工具的理论和分析研究。Xhang等人的其他研究规定了碳纤维增强光聚合物工具插入件的耐久性，在明显观察到工具插入件退化之前，最多注射2500次。这种“软”工具工艺适用于1000至10000次注射成型的生产量。
其他研究分析和审查了RT在工具和模具生产中的应用，无论是直接的还是间接的，用于小批量或大批量生产，无需进行对生产的零件数量进行更深入的评估。Ponche等人提出基于一种新的AM设计方法的数字链，详细说明了设计要求和制造规格，而Nagahanumaiahamp;Mukherjee提出了一种系统的方法用于RT法生产的模具的可制造性分析，该方法基于三个阶段：模具特征可制造性；二次元素相容性；以及成本效益。所提出的方法不仅有助于RT工艺的选择，而且有助于识别工具设计的微小调整，从而最终提高其可制造性和成本。Ahn提出了研究方法，以克服传统方法的局限性在能源消耗、环境影响和材料使用方面开发的工具环保工具。与基于数控加工的刀具制造减法制造方法相比，加工时间和成本显著减少。Brooke提到Hopkinson的观点，高速烧结（HSS）最终将取代CNC技术用于大批量生产组件。Achillas等人认为AM技术不能代替中高产量的注塑成型。然而，RT可用于小批量生产，以缩短交付周期并降低产量成本。Mahshid等人指出，基于激光的AM工艺的进步允许制造复杂的金属组件，而仅使用减法工艺是不可能实现的。
目前的研究表明，在考虑高性能工具时，提高注塑周期时间是一个重要方面，而不是考虑生产工具所需的时间。Mahshid等人回顾了制造工具替代品的可能性，该替代品能够生产轻质结构，从而降低材料和制造成本，并最终会缩短生产周期，延长刀具寿命。近年来，人们对高性能工具感兴趣，然而最近的文献中只给出了小批量生产的例子。因此更多的研究必须面向大批量生产的工具，并提出调查结果的必要手段。这个本文介绍的研究重点是SLM刀具刀片的生产，并通过大量生产注塑组件来评估其耐用性和质量。
本文考虑了制造四套注塑模具所采用的工艺，并详细描述了所进行的实验工作。实验结束后进行了测试，测试了工具镶块的耐久性，以及如何将其用于注射从四个工具镶块中的每一个模制数千个产品。注射成型整个过程分为四个阶段。这四套刀具镶块每一套都实现了10000次注射于是，第一个工具镶块被移除。剩下的三套刀具镶块已到达注射20000次，然后分离第二个工具镶块。同样的过程也被重复了一段时间剩下的两套刀具镶块和30000次注射已经完成，第三次注射之后工具镶块已从摇枕上拆下。最后一个刀具镶块累计注射了150000次。在注射过程之前进行实验，使用扫描电子显微镜（SEM）检查微观结构，用连接的能量色散光谱（EDS）系统分析金属间碳化物的形成，使用显微维氏硬度计进行硬度测试，以检查注射成型工艺对材料硬度的影响。在注射成型过程完成后，需要进一步的实验，以确保在硬度测试和测量尺寸精度方面的根据寿命。
2.材料和方法
2.1. 总体框架
本研究采用的框架方法概述本研究工作的主要步骤：首先，研究本研究所需的四个不锈钢316 L工具镶块是使用SLM技术同时制造的。在制造刀具刀片并将其从制造室中取出后，进行微观结构分析，以探索激光熔化试样的颗粒形成、层结构和化学成分。管理三种类型的测试：使用卡尔蔡司Axiovert 200显微镜进行光学显微镜检查，使用超高分辨率Leo Supra 55进行SEM检查，以及EDS分析。在成功调查微观结构检查和分析后，需要对制造的刀具镶块进行更多测试。这些试验的目的是在注射成型过程中使用之前检查制造的工具镶块的显微硬度和尺寸精度。使用带有方形金刚石棱锥压头的莱科维氏显微硬度计和每一半刀具镶块承受10 Kg载荷（停留时间为15 s）获得显微硬度。将每个刀具镶块分为批次，并检查产品样品的尺寸精度和功能性。在注射成型的第二阶段，第一个工具镶块被排除在外，其余三个镶块安装在同一个摇枕上，以继续生产，直到完成20000次注射。在拆卸刀具镶块后，进行了与之前阶段相同的测试。本阶段对生产零件的尺寸精度和功能性进行了抽样和检查。对于剩余的两个刀具镶块，按照相同的程序拆除第二个刀具镶块，并检查第三个和第四个刀具镶块及其各自的产品。在第四个工具镶块成功完成40000次注射后，注射成型继续尝试达到生产150000个尺寸准确、功能认可的产品的目标。
2.2. 刀具镶块制造
SLM用于直接从3D CAD数据制作四组刀具插入件试样一家汽车零部件制造公司的模型。构建是在Realizer上进行的激光功率为200W的SLM 250，构建方向如图1所示。最大部分尺寸为90mmtimes;20mmtimes;15mm。图中显示了最终制造的刀具镶块型芯和型腔如图2所示。零件在CAD模型中按比例缩放，以补偿收缩造成的余量在注射产品的冷却过程中。不锈钢316L粉末是用于该项目的材料颗粒大小通常在45-150微米之间，层厚为50微米。
图1. 烧结过程中的零件方向、层结构和主要尺寸（mm）
图2.一套SLM制造的型芯和型腔工具插件
3.工具实验、结果和讨论
3.1. 微观结构
准备了四套刀具镶块，以便通过光学显微镜进行检查。零件是使用内衬砂带磨床和180粒度砂纸进行湿磨光，时间约为每部分5分钟。用220和1000粒度的磨料对样品进行进一步抛光用砂纸获得必要的表面光洁度。为了保持光滑的外观，将抛光膏（美国密苏里州圣约瑟夫莱科公司Microid钻石化合物）涂抹在表面，并用抛光膏进行摩擦光滑的布。为了揭示微观结构，将抛光样品浸入化学酸性溶液中20分钟；该溶液含有96%的纯白酒精、2%的硝酸（浓度为69%）和2%的盐酸。从溶液中取出后，用蒸馏水清洗试样水对试样的检查表明，试样表面存在碳化物和孔隙分层。拍摄图像并分别放大到200倍和500倍。图像捕捉是对同一样本上选择的五个感兴趣区域中的每一个重复三次，以确认发现碳化物含量较高的证据。水的元素化学组成如表1所示，使用光谱分析仪测定制造的试样。拍摄的图像磁性表面的形状如图3所示。
表1.不锈钢316L元素重量（Wt%）
|
样品 |
碳 |
硅 |
锰 |
Wt % 磷 硫 |
铬 |
钼 |
镍 |
铁 |
||
|
SS 316 标准的 SLM |
L [43] |
0.035 0.024 |
0.75 0.41 |
2 1.52 |
0.045 0.023 |
0.03 0.021 |
16-18 16.057 |
2-3 2.38 |
10-14 10.397 |
平衡 平衡 |
图3.卡尔蔡司Axiovert 200上200倍（a）和500倍（b）受检试样的放大，并有证据表明存在碳化物夹杂物
图4.SLM刀具镶块表面的SEM显微照片，记录了三个不同点的层厚度
从SEM拍摄的图像提供了重要证据，证明金属间化合物的形成沿烧结试样的层表面存在碳化物。碳化物的形成是集中的在某些区域，尤其是沿着每一层的边界。在激光熔化过程中，存在高浓度的铬、镍和钼在不锈钢316L允许形成碳化物，从而产生相对优越的机械性能。尤其是更高的显微硬度、更高的抗拉强度、疲劳寿命和良好的耐腐蚀性，与商用不锈钢316 L相比。了解元素类型的前景金属间化合物颗粒的形成涉及到广泛的分析。采用EDS系统检测可能导致碳化物形成的金属间化合物颗粒的类型和大小。定量性的对316不锈钢的合金元素进行了分析。图5显示了沿层边界存在金属间颗粒。拍摄的图像放大到150倍。对于特定区域，图像捕获过程重复三次，共有五个单独的区域考虑过的。在使用SEM的不同磁场下，可以识别出几个重要特征。在观察到低磁感应层熔池排列，而在高磁感应层，熔池交叉在两层熔体池之间显示出细胞结构和碳化物形成。
图5.层间边界引起的碳化物偏析
图6.使用EDS对向晶界偏析的金属间化合物颗粒进行元素分析，并证明Cr、Ni和Mo在晶界富集
图6总结了EDS分析的结果。数据表明，浓度最高的金属间化合物颗粒类型为铬，占4000个强度计数。镍的含量为1000支，钼的最低浓度为500支。
3.2. 硬度试验
采用显微硬度测试来测定所制备的SLM的维氏硬度标本。显微硬度测试在研究的两个不同阶段进行，以确定由于连续不断的试验，数千次
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