模具技术系增材制造心得(使用增材制造聚合物冲头进行铝深冲压：小批量生产性能分析)

文丨奇怪的玛丽莲

编辑丨奇怪的玛丽莲

前言

由于消费者对定制产品的需求，商品的制造正在从大规模生产向大规模个性化转变，为了具有竞争力，生产流程必须变得灵活且高度可重构，以满足日益增长的产品种类的要求。

这些产品的特点是生命周期较短并能够提供轻型组件，这些范例使得传统技术缺乏竞争力，因为模具的初始投资成本在小批量或试生产的情况下并不方便。

增材制造技术

用于快速模具生产的增材制造技术可以成为提高传统成型工艺竞争力的解决方案，AM技术能保证快速生产时间，降低模具成本，确保设计的高复杂性，从而免费实现个性化要求。

生产聚合物工具的增材制造技术可确保较低的材料成本和较少的后处理操作，但就金属工具而言，仅适用于实现适合的软工具生产数百个零件。

在增材制造技术中，熔丝制造是一种材料挤出工艺，能够生产具有更高机械性能的聚合物部件，例如高断裂伸长率和低杨氏模量、高伸长率和杨氏模量，或高杨氏模量和拉伸强度。

并且在过去的十年中，用碳、凯夫拉纤维或玻璃等增强材料打印电线的可能性赋予了这些聚合物类似于金属的特性。

上述改进加上相对于其他增材制造工艺更低的生产成本，使FFF成为钣金成型快速加工的有效技术。

为了研究FFF聚合物在成型过程中的性能，我们测试了不同可打印聚合物的压缩行为，用于生产30个拉伸比和深度分别等于2.1和15mm的钢杯。

我们发现PLA和PA对压缩和弯曲相关的机械性能表现出很强的敏感性，而PETG的性能受影响较小。

PLA是经过更多测试的材料，用于实现具有球形或半球形几何形状的冲头，低碳钢经过测试，可生产20或64拉深深度在10至25毫米之间的零件。

实验的结果表明，PLA适用于金属板材，具有良好的摩擦性能，并在可成形性方面提供与金属工具类似的良好结果。

其他研究人员测试了PLA的性能，以生产用于铝和钢汽车车身结构板材成型的模具，成功生产了30个零件，拉伸深度分别为5和10毫米。

尽管列出了这些优点，但必须考虑到，与使用机械加工工艺生产的钢制工具相比，这些工具具有较低的机械性能、内部孔隙率、较差的表面光洁度和较差的尺寸精度。

这决定了较低的刀具寿命和产品生产的精度主要集中在零件圆角半径在十分之一到百分之一毫米的范围内。

为了增加对FFF在钣金加工中应用工具的了解，我们已经测试了用短碳纤维材料增强的尼龙生产深拉加工工具的潜力。

我们证明了冲头可以形成高度为20毫米的铝和不锈钢杯，拉伸比等于1.8和2.2，在另一项研究中，作者展示了生产65毫米深零件的工艺可扩展性。

在本文中，我们介绍了一项研究结果，重点关注试点生产的聚合物工具的性能，精确的分析旨在根据零件编号来测量多个几何参数，例如冲头半径和圆度、杯厚度和冲头表面粗糙度。

结果表明，FFF冲头可以承受铝杯的小批量生产，那么这个实验所需要的材料和所使用的方法是什么呢？

材料与方法

这个研究旨在增材制造冲头的深拉工艺，在杯几何精度和冲头磨损行为方面的性能。

为了实现这一目标，我们制作了三种冲头，即P01、P50和P99，并分别在1、50和99个杯子的生产中进行了测试。

为了与传统工艺进行比较，还设计了用于生产1个杯子的钢制冲头，命名为C00，深拉工艺是使用压机400-A执行的。

冲头用螺钉固定在空心圆柱体内的压力机下靴上，在圆筒的顶部固定有压边装置，毛坯位于压边装置上，成型模具固定在压力机的上靴上面。

在所有测试中都使用矿物油作为润滑剂，下图显示了实验装置、冲头、成型模具、压边圈和生产的杯子几何形状的CAD几何形状。

增材制造的冲头是用熔丝制造机Mark2生产的，设置完全填充策略，沉积路径等于±45°，冲头的轴线平行于z轴，层高设置为0.125毫米。

双壁层的设计是为了避免较差的表面光洁度和较低的防水性能，打印时喷嘴温度为275℃，印版温度为室温，平均打印速度为50mm/s。

使用短碳纤维增强尼龙作为材料，这种材料已用于航空、体育和制造领域，并且它比AM聚合物表现出更好的性能，并且比制造中使用的传统复合材料具有更好的可制造性。

成型模具、压边圈和传统冲头选用工具钢45NiCrMo16，对于坯料，使用厚度为1毫米的铝Al1050。

用于测量杯的内半径和冲头的外半径的圆周轮廓，在距离杯顶10、10.5和11mm处获取三个内半径，距离冲头底部6毫米和15毫米处的两个冲头外半径。

沿圆周获取的数据用于统计分析，与CAD进行比较，然后评估平均半径Rmed、标准偏差σ和圆度公差rt作为沿圆周测量的较高半径和较低半径之间的差异。

沿着杯子内部横截面和冲头外部的线性轮廓，数据点用于与CAD进行比较，以评估生产结束时的杯拉深深度和冲头高度。

对于杯子和冲头，还评估了CCAD和PCAD参数，这些参数是CAD与属于杯C或冲头P圆角半径的五个实验点之间的平均差。

在CP和LP分析后，用线切割加工对杯进行剖切，并在对应于杯底部、冲头圆角的四个不同区域中采取五项测量、杯壁和成型模具圆角，是由成型模具生成的杯形较高圆角半径。

沿着冲头圆角半径的粗糙度轮廓，用于测量平均表面粗糙度和最大峰谷距离的演变，为了评估Sa和Sz，扫描了4.5×2mm的区域，每个冲头测量了四个复制品。

关于统计分析，执行方差分析来测试平均值之间的差异，Anova分析为每个研究参数及其相互作用生成p值。

如果p值低于0.05，则可以断言交互作用影响获取的参数，对于CP和RP分析，还使用了Tukey范围检验，通过将结果分配到相同或不同组内来查找彼此显着不同的平均值。

CP和LP测量是使用配备SP620测头的CMM机器Cyclone系列2执行的，使用数码显微镜RH2000进行TP测量，使用激光探头PF60进行RP测量。

一些研究的分析

圆形轮廓参数的Anova和Tukey范围测试的结果，在绘制的结果中，杯子“00”是第一个用传统冲床生产的杯子，其他杯子是用P99冲头生产的。

根据分析显示，只有dtop的p值低于0.05，因此这是唯一显着影响杯半径的参数，可以观察到所有测量值都高估了目标值，并且当距杯顶部的距离增加时，杯半径减小。

由于模具和冲头之间存在间隙，这种现象与深拉工艺生产的零件的壁形状一致，值得注意的是，所有情况的最大偏差都在几百毫米的范围内。

据报道，所有测试中的圆度变化范围从h10的99号杯的最小0.077毫米到h11毫米的50号杯的最大0.125毫米，用传统冲头生产的杯子也达到该范围内的rt值。

杯形线性轮廓结果分析表明，设计的杯子与生产的杯子之间的主要差异在于圆角半径上，使用传统冲头和增材冲头生产的第一个杯子具有与CAD类似的趋势。

cup99圆角半径的特点是拉深深度和圆角半径较低，在生产第25个杯子后，圆角半径的恶化变为两倍，第99个杯子的厚度增加了三倍多。

这种趋势与拉深过程中的毛坯变形行为一致，并且沿冲头圆角半径的减薄程度最高，传统和增材冲头获得的杯厚度是相同的，并且在增加杯数时不修改该值。

冲孔分析

参数dbottom是指距获得圆形轮廓的冲头底部的距离，方差分析表明，冲头数和d底部对于冲头半径都很重要，但它们的相互作用则不然。

合并Tukey范围测试结果可以断言，随着杯数的增加，深拉工艺会减小冲头半径，两者的下降趋势的斜率相似d底面水平。

主要区别是在第一个杯子的生产过程中，两层d底部之间出现的杯子半径变化，在距离6毫米处，杯半径从CAD减少了0.05毫米。

重要的是要记住，该区域对应于冲头圆角半径的末端，其中成型工艺的效果更相关，一般来说，关于冲头半径，经测量，生产99个杯子后，受力最大区域的冲头半径为19.4毫米。

即初始值的99.5%，这意味着工具99罩杯后磨损约为0.1毫米，圆度公差变化范围为0.2至0.33mm。

线性轮廓分析结果表明，杯子生产后的冲头高度与起始CAD值一致，高度参数显示所有冲头的高度几乎保持不变。

沿着圆角半径，测量到冲头半径随着杯数的增加而减小，测量CAD几何形状的平均偏差，并通过参数CAD列出。

RP分析指出P01、P50和P99之间的粗糙度存在显着差异，Tukey范围测试的结果表明，由于FFF工艺，冲头开始时具有较高的平均和最大粗糙度。

但在深拉过程中，由于铝毛坯在冲头半径和壁上的材料流动，冲头轮廓变得更平滑，平滑趋势在第50杯和第99杯的生产过程中下降。

结论

在这项研究中，我们测试了聚合物冲头在99个内径等于39毫米、厚度为1毫米、深度为20毫米的铝杯的深拉生产中的性能。

冲头由填充短碳纤维的尼龙制成，并采用熔丝制造工艺生产，对生产的杯子和冲头进行了几何分析。

结果表明，与钢冲头生产的杯子相比，那些经历弹性变形的冲头会影响杯子半径，增量达到0.002毫米，拉深深度损失0.3毫米。

我们还表明，杯子产量的增加并没有显着改变杯子尺寸：第1个和第99个杯子之间的差异在十分之一到百分之一毫米之间。

这些发现证实了使用增材制造作为预系列、原型或中批量生产的有效技术的可能性，从而缩短上市时间并提高工艺灵活性和可重构性。

未来的研究正在进行中，研究增材制造冲头的行为与打印过程中填充密度策略的关系，以减少生产时间和材料成本，同时保持相同的深拉工艺性能。