模具抛光粉(3D打印模具钢的抛光等级)

Posted 2023-05-30

篇首语：老骥伏枥，志在千里；烈士暮年，壮心不已。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了模具抛光粉(3D打印模具钢的抛光等级)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

模具抛光粉(3D打印模具钢的抛光等级)

1、3D打印模具的技术和应用
3D打印模具，比如注塑模具，一直都是相对被业内看好的金属3D打印应用方向。有三个主要原因：
（1）复杂的冷却流道确实几乎只有3D打印能够做得到；（2）必须需要跟仿真结合起来，够有难度；（3）模具附加值能够抵挡3D打印的高价威胁（原谅我用了这个词），可以通过用户的成本效益分析分析过程的考验。
比如流传甚广的图：

3AD模具之所以能取得相对的成功，主要是因为模具存在“一粒老鼠屎，坏了一锅粥”的问题。一副价格昂贵的模具，很可能因为里面几个“深坑、高突”没法有效和均匀的冷却，而导致整个产品的成型效率、质量不高。
假设一个ABS塑料产品的模具，寿命50W模，原来的成品率是98%，用3D技术提高了10%的效率、1%的成品率。那么在模具的整个寿命期内，合格产品将由490000万个将提升至495000个。同时时间节省了10%，这10%可能是数天的时间，可以将生产线空出来进一步产生效益。
如果把合格产品的收益、节省时间产生的综合效益计算出来，把该效益分配3D打印后仍然有结余，那么这个结余就是价值。价值为正就能做，价值为负就不能做。
但是3D打印模具有两个缺陷：
（1）致密度不够，有数十微米级的缺陷（孔洞、夹杂物等）；（2）材料选择不多，热导率很单一。
本篇讨论的主题是第一个：致密度问题。至于第二个热导率问题，稍微提及一下，有兴趣的可以给我留言，再对之详述：
目前使用的3D打印模具钢材料主流的是18Ni300（MS1）、H13等，热导率普遍在10W/mk-20W/mk，这个热导率还是蛮低的。但是目前没有特别好的选择，目前常用的铁基合金中，最高的也不过 100W/mk ，绝大部分都在30以下。虽然3D打印能够提供分布密度更高、更均匀的流道，但是它所能提高的冷却效率的上限是有限的。
在《

熔池的热过程1 - 解析解的推导过程和应用

》中我们使用了导热方程：

式里的λ就是热导率，可以看到它挂在试子的前端，温度梯度（冷却速度、加热速度）与之成正比关系，可见它的影响巨大。
有时候我们在3D模具里，不得不把流道尽量靠近表面，但是这种靠近毕竟是有限度的。
比如有些模具使用铍铜之类的高导热材料来实现快速冷却，这时候强制使用18Ni300+优化的冷却水道的办法来替代这种方案，估计也跟不上。这是业内需要注意但是可能还不够注意的问题。有没有兼顾了高硬度、高腐蚀性、高导热性更佳的材料引入3D打印，将会成为进一步推动3D模具的应用的关键所在。
2、粗糙度相关的知识
想搞清楚模具表面光洁度的问题，必须先补充关于粗糙度测量和评价的基础知识。
粗糙度有很多评价方法，其中最常用的就是Ra，那么什么是Ra呢？
R - Roughness （粗糙度） a - Average （平均值）

这个图什么意思呢？为了更好的解释这个概念，我们举一个走路的例子：你在走一段路，这段路有上坡、有下坡、有坑、有凸起，我们把这段路的高低起伏画在坐标系里。那么我们评价这段路到底平还是不平呢？有很多办法，比如类似这些描述都能表达这段路的高低不平的程度：

这段路最高的地方有5米，最低的地方有3m：通过标记最大、最小值的办法；
这段路最高点与最低点的差值：通过类似海拔的办法来描述；
这段路高度的平均值是2.8m：用平均的办法。

大家猜到了：第三种就是Ra的定义，也是最常用的一种描述方法，因为它代表了一种平均，可以反应整体情况。但是也不是每一处都实用，比如骑行的时候我就挺关注路段最高点的，太高了爬不了。

只不过在加工中，我们不可能按照测量马路的高低起伏那样使用米级的测量单位和测量方法。那么怎么测呢？比如下面这张图就是抛光以后没有腐蚀的夹杂物照片：

右下角有100um的标尺，这些夹杂物或者坑点怎么计入粗糙度呢？怎么测量呢？

3、粗糙度的测量方法

第一种测量方法：对比试块

对比试块其实就是一种做好的量具，靠目测、触摸来判断，各大量具品牌都有，很容易购买，也很容易使用。

第二种测量方法：粗糙度仪

粗糙度仪长这样（固定在升降架上的蓝色盒子）：
这个仪器也是价格不菲，数万到数十万都有。

它的测量原理如下，有个探头在工件表面划过，探头的上下抖动就能测出来凸起、凹坑的值，处理以后就能得到粗糙度。

这个仪器根据我的经验，测量结果偏小。原因就是探头的大小：探头是金刚石一类的材料制成的，它测的准不准、能测多大的粗糙度是跟探头的尺寸有关系的。可能发生这样的情况：

不过绝大部分时候应用足够了。

其它方法：宝哥Brog推荐的方法

测量粗糙度还有激光法，或者其它的光学方法。这是很高级了，普通的根本用不到。不过我推荐下一种：

在以前的工作实践中，针对3D打印模具抛光，我构建过另一套方便操作而且比较有代表性的方法：金相法。

实施过程如下：

第一步：磨抛试样，得到这样的结果

第二步：使用图像处理软件统计颗粒的大小（如ImageJ）；
第三步：求颗粒大小的平均值，作为Ra值；
第四步：取最大值，作为最大能够抛光到的等级参考。
这种方法我认为是比较精确的，因为我们要评价的是模具的表面，实际上就是一个切片。我们就利用这个切片的统计结果，作为测试值。
这个方法的另一个特点就是方便实施：大量的照片可以被程序自动化处理和统计，效率高，成本低。这个方法从我的经验来看，是推荐业内实施的方法，大家可以考虑在自己的企业标准里应用。如果你需要这方面的支持，可以给我留言，我乐意把经验分享出来。当然只有一个要求：如果你照此实施成功了，那么请允许我把实施的结果公布出来，推动行业一起进步。
5、粗糙度的纹理特性与相关的问题
在前雇主单位工作期间，我曾主持经建立了3D打印零件的粗糙度测量标准，其中包括了上述的多种方法。意外的是，被人提出疑问最多的是“对比试块法”，为什么呢？
大家看看对比试块的细节：

试块是通过车铣刨磨等办法做出来的，大家都知道各种加工方法的粗糙度值是不同的，这些量块自然也是用这些方法加工的。问题来了：
例如，刨床加工以后，形成的纹路是条状的，虽然条状的微观凹凸尺寸跟标识的Ra值一样，但有两个问题怎么解决：

纹理形状不一样，怎么测？
金属制作的粗糙度块能测塑料吗？

粗糙度值只有大小值，例如Ra3.2，指的就是凹凸平均值是3.2um。虽然纹理形状不一样，但是触感、视感绝大部分跟这个值有关系，所以纹理不一样也可以测。材料不一样也是一样：只看触感、视感。
粗糙度有两个最重要的特性：

大小
纹理形状

比如：

很多模具是需要特定的纹理的，并不是越光越好。比如计算机部分外壳的雾面效果，还有塑料表面的十字纹。实际上为了实现这些规则、好看的纹理，在模具加工里往往要花费巨额的成本，甚至占整个模具成本的大部分。而工艺，则有cnc、化学腐蚀、电化学腐蚀、激光加工等等。
6、3D打印模具的“最高抛光等级”
3D打印金属模具，业内经常用A、B、C、D这四个等级来描述，不过就我看过来的企业和从业人员，即使是长期从事3D模具业务的，也少有人搞清楚这其中的关节，从而造成了一些不必要的麻烦。
这个A、B、C、D级是来自美国塑胶工业协会制定的标准（SPI），实际上还有细分：

在以前的工作中，曾有人问我：3D打印出来的零件，用钻石膏抛光的话不就能达到A级了么？
当然不是这样，模具的抛光等级，对3D打印来说，更准确的名词应该是：模具的“最高”抛光等级。
为什么这么说呢？3D打印件，本身就存在几十微米的缺陷。如果我们用粗砂纸打磨，砂纸上砂子的粒径有100um，那么抛光加工的时候这些砂子划过的地方就被切削成数十微米的“划道”。
这些“划道”很深，这样就覆盖了原有的3D打印缺陷，甚至在显微镜下看不到凹坑。
那么当我们选用了更精细的抛光方法，把凹坑旁边的地方都抛的亮亮的，划痕极小，那这个时候3D打印件本身的缺陷就会显示出来。
可以看出，即使再选择更细的抛光方法，也不可能“填坑”。再往下抛没什么意义，所以从这个角度讲，“模具抛光等级”可以等效描述成“模具的最高抛光等级”，这个等级是由材料本身的特性决定的。
7、3D模具抛光等级
如果按照我前文推荐的金相图片测量方法来度量最高抛光等级会怎么样呢？
我们知道金属3D打印（SLM）后微观的缺陷大部分都是几十微米，工艺不太稳定的，形成更大尺寸的缺陷也是可能的。也就是说，在抛光等级表里，对应的至少也是C级。
不过，如果你用那种探针式的测量仪器，会比这个低。
如果从科学严谨的角度扣下去，很多模具根本无法用3d打印。但是奇怪的是，有很多被设计标记为“B级”的模具，用3D打印也没有问题。这是为什么呢？
大家知道模具是二次成型，3D打印金属的缺陷分布非常均匀，而且有规律，抛光以后都是凹坑。塑料跟模具接触、冷却，不见得就能形成肉眼可见的凸起，它甚至跟塑料的种类有关系。
根据我的经验，一般的光亮塑料表面，用3D打印模具都没问题。
但是，光学零件就不能这么考虑。还是乖乖使用致密度100%的金属材料加工为好。
8、提高抛光等级
3D打印的缺陷极难消除，但是可以减轻。这个减轻过程，非常考验一个3D模具制造单位的质量控制能力和对3D打印技术的理解。
3D打印的夹杂物大部分都是氧化物，氧充斥于粉末制造过程、打印过程，极难消除，几百到数千ppm的含量对3D打印来说很常见。
而大家熟知的铸锻件，像炉外精炼等工艺的水平甚至能把氧含量降到20ppm以下直至更低。夹杂物少，再加上后期锻造工艺把夹杂物压碎、拉长，其致密度就能到100%。
提高3D打印零件的纯度，只能从原材料的纯净度、打印过程中保护气体的纯净度、飞渣的去除等几个大方面入手。每一个方面对3D打印来说都是相当具有难度。还比如在《

金属粉末激光反射问题的评价和处理

》提及的绿光激光器能够利于熔池稳定的特性，从而也能让缺陷减少，提高最高抛光等级。
另外，质量控制过程也极其重要。为了降低成本反复使用原材料，也能致使模具质量直线下降。
9、性能过剩的问题
性能不足固然可怕，性能过剩也是不可取的。比如你的企业里，是否摸索过重复使用三次的粉末原材料，打印出来的模具的最高抛光等级是多少？
这个等级的模具，能用在某一类产品上吗？是否需要混入50%的新分？
当然，混入新粉有很多其它考虑，抛光性能不一定就是主要要考虑的目标特性。但是这种关于性能过剩的思辨，让我们在 “产品” 和 “技术”之间建立起理性的关系，也有助于3D模具生产组织更仔细的审视他们的工作。