最新日本金屬粉末 鐳射造型複合加工技術 - cae...
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最新日本金屬粉末
鐳射造型複合加工技術【主講】台灣松井國際股份有限公司 楊 青
日本金屬粉末鐳射造型複合加工技術的背景
这是一项由日本政府与产业界、学术界,作为国家战略而共同推进的高新技术。最初是由日本松下电工在单纯的金属粉末镭射造型技术的基础上,提出了复合加工的思路,并申请了基本专利。
但其能够真正成为一种具有实用价值的新型加工技术,主要还是依靠了日本OPM公司多年以来的锐意进取和不懈努力。OPM公司拥有该项技术的CAM软件专利,并在实用性和量化生产上作出了重大贡献,为此还获得了日本政府颁发的制造业大奖。
日本松井制作所(MATSUI)从四年前开始,就把这项技术介绍推广到包括台湾、香港和大陆在内的大中华地区。
2014年10月,日本Sodick公司推出了OPM250L型号的金属3D列印复合加工机。
OPM technology
金属3D列印複合加工機
OPM250L
日本国际塑料机械展览会2014年
10.28(二)~11.1(六)
日本国际机床展2014年
10.30(四)~11.4(二)
金属3D列印机
创 造 未 来
OPM technology
从应用案例开始
OPM technology
Φ3×6 Φ3×2
Φ4×2 Φ4x2
Conformal cooling channel 。。。。。。
OPM technology
Conformal cooling channel 。。。。。。
OPM technology
Cavity
8φ
CoreConformal cooling channel 。。。。。。
OPM technology
Core conformal cooling
Core pin conformal cooling
Cavity conformal cooling
3curcits
Shown in green color is a product
Conformal cooling channel 。。。。。。
OPM technology
加工原理与特点
OPM technology
金属粉末硬度:Hrc33高强度热处理后:Hrc50
从金属粉末一步到位完成造型加工而且含有内部水路和局部排气功能
OPM technology
金属3D列印複合加工機
OPM250L
加工原理与特点
Conformal cooling
Zoom
Complicated structure
Zoom
Core for impact driver
(material : YAG Hrc50)
The Cooling time can be
shortened by 50%.
Accuracy 5/1000
OPM technology
金属粉末镭射造形技術
镭射熔融功率
500W 加工机的基本构成
高速铣削加工技術
铣刀主轴转速
45,000min
OPM technology
OPM250L
加工装置概要及加工过程
镭射
第一层熔化 熔化・积层
有效刃长 铣刀头
表面精加工
熔化・积层与铣削不断重复
熔化・积层 表面铣削精加工
集光透镜
加工平台(Z轴)
反射镜
覆层刮刀
粉末箱
X轴
CCD摄像头
Y轴
镭射发生器 检流计扫描
主轴
镭射熔化
高速铣削10 m
粉末材料
OPM250L
OPM technology
OPM250L金属3D列印复合加工机概要
主轴
转速:45,000 min-1
扭矩:0.8 Nm
标准
最大工件尺寸
最大粉末供应量90kg(马氏体时效钢)
□250 x H250 mm
□250 mm
H250 m
m
镭射输出功率
功率:500W
类型:Yb光纤镭射
ATC 刀具数量16把(热压配合式)
OPM technology
OPM technology
Manufacturing Data Creation
PART DESIGN MANUFACTURING DATA MANUFACTURE
与单纯镭射造型的比较
OPM technology
Base plate
2m
m
Sintered
Case example:Core for connecter(210mm×210mm)
底板翘曲
Warpage problem
金属粉末镭射造型的技术难题
OPM technology
Warpage
CenterX
Z Y
Unmeasurable state
Misalignment between cad data and sintered object on condition that is used galvano
The base plate and sintered object are warped by inner stresses.
It can’t measure accurate dimensions from fiducial surfaces of the plate
X
Z Y
Measurable state
Milling
Galvano scanner
At least
machined surface
Cycle of expansion
and contraction
Misalignment
Solely laser melting Our technology
可同步切削出基准面
OPM technology
Ellipse width 1.5㎜=4 diameterINLET
OUTLET
Inside 3D cooling channel
Section of part
Improving the inner surface of a cooling channel
OPM technology
OPM technology Only laser melting
切削加工水路表面
OPM technology
True circle
True circle
OPM technology
SLM+Milling
・machined surface
(切削/基準面)
Measure on LUMEX
(3次元測定)
Heat treatment
(正しい熱処理)
Optimized 3d model
(最適化した形状)
Measure
(測定)
The following process
(次工程)
Set base plate
・flatness measurement
(平行測定)
measured result
(測定結果)
measured result
(測定結果)
flatness measurement on LUMEX
(平行度測定/同一機械上)
Measure on LUMEX
(プローブヘッドによる造形物測定/
同一機械上)
・surplus(加工代)・machined surface(切削/基準面)・linear coefficient of expansion
(線膨張係数)
Suitable for high accuracy part
适宜于高精度模具零件
可在造型机内实施三维测量
Laser sintering soloMeth
od
Rep
resenta
tive sintered
objects
Simple structure(只适宜于外形简单,又可以实施后续加工的模具零件。)
OPM technology
One Process Machining (OPM)
Complicate structure (精度要求高,外形复杂的模具零件)
工法: 增量加工 工法: 增量加工+除去加工
表面粗さ・Ry 50μ
◎寸法精度・±5/1000
◎表面粗さ・Ry < 1~2μ以下
与传统加工手法的比较
OPM technology
传统的模具加工方法(多道工序)
金属粉末镭射造型复合加工法(一步到位)
ONE-PROCESS加工(放電LESS)
工法: 除去加工 工法: 增量加工+除去加工
OPM technology
设计重点(通过零件分割最小化削减工期以及成本)
取消了以往的电极制作、放电加工、可以大幅度缩短工期
一体制作(不用分割)
一般工法需要分割25个零件 ⇒ 可实现从一体制作以及考量到设变的最小化分割
分割1
分割2
分割3
关于设计模具(最少数分割)
OPM technology
素材加工(WIRE)
*分割20件
分割模仁粗加工(加工中心)
分割模仁精加工(加工中心)
电极制作(放电)100种*粗/精加工200个
分割模仁/电极加工(放电)
E-PIN/孔(NC
/线割)
金属激光造型复合加工一体
10天
基座加工
(加工中心)1天
E-PIN/孔加工(NC
/细孔)2天
1、以往工法/制作时间40天(费用300万日元)
2、金属镭射造型复合加工法(一体的情况)/13天(费用150万日元)
3、金属镭射造型复合加工法(分割3个)*3台同时加工/制作时间7天(费用150万日元)
E-PIN/孔加工(NC
/线割)2天
分割23天
分割34天
67.5%工期削减/50%成本削减可能
82.5%工期削减/50%成本削减达成基座加工
(加工中心)1天
分割13天
日本案例OPM technology
Suitable for precision industry
Fine texture, smooth milling surface
With the traditional method, the core is composed of 25 core members.
OPM technology
日本案例(电动工具模仁)
+measuring surface
Laser melting and high speed milling Milling following laser meltingin sequence without dismounting
Sintered object + measuring surfacefor the following process
laser laserMilling Milling
Conventional method
Laser melting with milling金属粉末镭射造型复合加工法的三种选择
OPM technology
金属粉末材料的特点
OPM technology
Laser melting with millingOPM technology
材料抗拉强度(MPa)
弹性(%)0.2% 屈服应力(MPa)
杨氏模量(GPa)
维氏硬度HV
洛氏硬度
HRC
OPM-Super
Star
Correspond to
STAVAX
淬火 Over1698 - Over1410 182 - 52(56-57)
OPM-Ultra
Maraging淬火 990(1992) 20(15) 820(1930) 185 - 38(52-54)
Ti-6Al-7Nb
Ti-6Al-4V- - - - - - -
OPM-NiMark
Correspond to
NAK80淬火 40
OPM-SKD 淬火 61
现在开发中
现在开发中
用于3D列印注塑模具的金属粉末材料
SUS After heat treatment
590HV
380HV
230HV
200HV
S50C x400
SUS x400
RockwellS50C 58.0HRA≒0HRCSUS420 79.1HRA≒56.1HRC
internal composition
stable
SUS的金相组织Laser melting with millingOPM technology
NAKNAK
Maraging steel
border line
YAG Fatigue specimen of maraging steel
Maraging steel
x400Fatigue test
toughness Laser melted
NAK
laser surface alloyed
Laser melting with millingOPM technology
控制镭射照射条件实现金属粉末組織最適化
0.5mm(× 25)
造形物の断面 α/オーステナイト SCM(SUS系)
可通过控制镭射照射条件,基本消除材料中出现气泡
Laser melting with millingOPM technology
Laser melting with millingOPM technology
Developing the optimized laser conditionfor new metal powder through the use of
“ high speed camera”
Phase1: 33 - 68 mesure resultμ m2(Hole area) %
1 1146.93 0.052 817.26 0.033 338.00 0.014 680.99 0.035 547.49 0.026 617.01 0.037 514.95 0.028 307.49 0.019 1313.16 0.06
10 869.95 0.0411 1420.22 0.0612 660.09 0.0313 1009.18 0.0414 376.46 0.0215 712.97 0.03
0.03Hole average1.4mm
1.38mm
Digitalization
x 15 times
SUS Hole average
Melting average
99.97%
SUS溶融率
鏡面精度效果
Laser melting with millingOPM technology
ポーラス専用材料A ポーラス専用材料B
3倍
20倍
ガス抜き用ポーラス造形技術は、材料及びレーザ条件を最適化し空孔、通気率を制御できるように研究開発を行い、現在までに・通気偏差及びバラツキを最小限化。・通気性能別のレーザ条件を最適化。・材料成分を独自調整し、性能を向上。完了し、本技術データを基に根拠のあるポーラス造形を行っております。同時に品質チェックを行う体制にしております。
3倍
20倍
空孔小空孔大
サンプルA サンプルB
検査冶具
控制镭射照射条件实现多孔质表面 ポーラス造形によるガス抜き制御
〈多孔质专用材料〉
可控制:
气孔大小
通气率
不可控:
气孔形状
Laser melting with millingOPM technology
CAD model
Use information
Feature
>> Degassing channel
Picture Sample block (Porous & Melt) Size:38x38x10
fabrication time:10h
(including:Lasertime:5h)
Porous areaMelting area
Hardness:HRC50
Porous area 多孔质区域
Melting area 完全熔化区域
示例样板(多孔质与完全熔化)
Laser melting with millingOPM technology
开发中的最新技术
OPM technology
1.复杂形状也可一次性加工完成大幅缩短模具制作周期
高精度(面精度Ra0.86μm、Rz5.89μm )
Section
10mm
20mm
不需要电火花加工深槽
2.可自由地构筑多孔质表面层轻松解决模内排气
3.复杂形状也可采用一体化构造完全消除拼装累计误差
4.可任意构筑3D随形冷却水路合理而高效地冷却
金属粉末镭射造型复合加工法用于模具制造的优点
Laser melting with millingOPM technology
金属粉末镭射造型复合加工法的模具加工适用范围
量産性(ショット数)
[μ]
10,000 100,000
電子部品量産品電子部品
試作品
7年前
±1
・ターゲット
・高精度&高速化
精密電子部品量産品
現状
寸法
精度
(μ)
±10
±20
±30
200,000 300,000 500,000
家電製品試作品
家電製品量産品
±5/1000達成、硬度Hrc50達成Y
X〔Shot数〕
精密電子部品試作品
1,000,000
Laser melting with millingOPM technology
金属粉末镭射造型复合加工法的未来规划
Laser melting with millingOPM technology
600x600x600
30
OPM250L
OPM350L
OPM600L尺
寸(m
m)
速度(cc/h)
50 75
250x250x250
提高速度和工作尺寸
增加功率并行模式多模
单行模式
350x350x350
1 年后
2年后
Laser melting with millingOPM technology
新技术应用于量产的金属3D打印最新技术
采用专用夹具实现9块单独模仁一次造形
Video
采用专用夹具实现多模块同时造形
Laser melting with millingOPM technology
各种加工工序间紧密结合可通用固定夹具
开发中
3D水路模具利用案例
OPM technology
Laser melting with millingOPM technology
用于制造瓶胚模具(3D水路)
3D水路模仁JIMTOF 展示
蓄热
改善
Laser melting with millingOPM technology
用于制造瓶胚内芯(3D水路)
用于制造瓶胚模具(3D水路)
Laser melting with millingOPM technology
工具 注塑机(GL60)
Case example “Molding for smart phone”智能手机成形例
新!! 金属 3D打印机 OPM250L 智能手机外壳
Laser melting with millingOPM technology
尺寸:122.7mm×59.8mm×10.9mm
厚度:2mm
体积:20.2cm3
智能手机外壳成形例
Laser melting with millingOPM technology
Stationary side
(定模)
Movable side
(动模)
Perfect conformal cooling channel inside tooling for
smart phone case 3D冷却水路全覆盖的智能电话外壳模具
Laser melting with millingOPM technology
定模固定板 动模固定板顶出滑块
骨架模型
Laser melting with millingOPM technology
成形品
COR冷却回路
斜顶滑块冷却回路
进胶口位置
CAV冷却回路
成形品
COR冷却回路
进胶口位置
CAV冷却回路
Compare normal cooling channel to conformal one
传统冷却水管和3D冷却水路的比较(产品部)
Laser melting with millingOPM technology
Perfect Conformal Cooling
完全随形的3D冷却水路
IN
OUT
IN
OUT
IN
IN
IN
IN
OUT
OUT
OUT
OUT
Laser melting with millingOPM technology
成形周期 23 sec
冷却时间 8 sec
树脂温度结果(平均值) 树脂固话平均温度(冷却时间结束时)
传统 随形
There is a difference 20 degree Celsius between
normal and conformal at core and cavity side.传统水路与3D水路之间树脂温度相差20℃
Laser melting with millingOPM technology
模具前面 模具背面
模具调温机(2台)
斜顶滑块调温Cavity/Core调温
Mold temperature adjusting circuit for injection
machine注塑机最理想的温度调节回路
Laser melting with millingOPM technology
成形周期(Molding cycle)
22sec 27sec 32sec
冷却时间(Cooling time) 5sec 10sec 15sec
传统冷却回路(Normal) 0.60mm 0.35mm 0.20mm
3D冷却回路Conformal cooling 0.25mm 0.15mm 0.15mm
变形A(Amount of warpage)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
5 sec 10 sec 15 sec
Normal
Conformal
13 sec5 sec
传统/ 3D =
16 sec / 3 sec= 2.6fold(2.6倍性能)
改善2.6倍!!变形实验
Test for Warpage
Laser melting with millingOPM technology
3D水路(冷却时间 5sec)
传统水路(冷却时间 5sec)
PC natural
光色弯曲
变形实验 Test for Warpage
Laser melting with millingOPM technology
表面不平整
光泽度低
Transferability and glossiness 表面转印性能和光泽度
光泽度高/转印性高/黑色深3D水路
传统水路
Laser melting with millingOPM technology
Transferability and glossiness 表面转印性能和光泽度
3D水路
传统水路
光泽度高/转印性高/黑色深
光泽度低/转印性低
Laser melting with millingOPM technology
冷却时间: 13sec
成形周期: 30 sec29 sec
适用于连续成型
3D水路产品冷却时间:5 s
成形周期 :22s
传统水路产品
2.6倍的性能!!光沢性強い(ピアノBlack)
光泽度低
3D 传统
歪
冷却时间5sec
从变形的角度,冷却时间可以缩短60%以上。
金属3D列印联盟提案
OPM technology
通过设计/制造品质、交期、精度的统一及参加企业的共同开发,
实现商业的高度化
金属3D列印联盟
OPM的设计/制造技术诀窍
JOB监控
订单管理
专用CAD/CAM
品质・生产管理
大中华市场・精密、电子仪器制造商
・电机制造商・EMS制造商
金属光造形复合加工技术DB
日本福井DDM服务局
高速
优质 量产
10 台设备
购入OPM250L的企业
金属3D列印联盟设想(提案)
我们将和引进OPM技术及OPM250L设备的企业一同打造一个共存共荣的良性循环的商业环境。
Laser melting with millingOPM technology
・汽车制造商・飞机制造商
+ ACMT
最新日本金屬粉末鐳射造型複合加工技術
谢谢各位聆听!
台灣松井國際股份有限公司
金属粉末镭射造型复合加工技术,是增量加工和去除加工的结合,既保留了柔性加工的优点,又发挥了高速切削加工精度好的特长,可一次性、一体化、高效率地加工完成具有内部异型水路和局部排气功能,但表面形状复杂、且难于实施后续加工的精密模具零件,为塑胶成型行业的广大客户提供了一种新型的模具零件加工技术。
<结论>
Laser melting with millingOPM technology