最新日本金屬粉末鐳射造型複合加工技術 - CAE Moldingcaemolding.org/newsevents/news/ipf2014/forum/dl/file/OPM/...最新日本金屬粉末鐳射造型複合加工技術

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


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


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


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



Developing the optimized laser conditionfor new metal powder through the use of

“ high speed camera”

../../Documents/2013%20展会和研讨会/上海松井%20研讨会规划/2013%20上海松井巡回演讲%203D打印/test9_C001H001S0001.avi

../../Documents/2013%20展会和研讨会/上海松井%20研讨会规划/2013%20上海松井巡回演讲%203D打印/test9_C001H001S0001.avi

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


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


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）


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


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


金属粉末镭射造型复合加工法的未来规划


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


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


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


用于制造瓶胚模具（3D水路）

3D水路模仁JIMTOF 展示

蓄热

改善


用于制造瓶胚内芯（3D水路）

用于制造瓶胚模具（3D水路）


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


尺寸：122.7mm×59.8mm×10.9mm

厚度：2mm

体积：20.2cm3

智能手机外壳成形例


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


定模固定板动模固定板顶出滑块

骨架模型


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）


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


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℃


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


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


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


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


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


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。


・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＞


Documents

最新日本金屬粉末 鐳射造型複合加工技術 - CAE Moldingcaemolding.org/newsevents/news/ipf2014/forum/dl/file/OPM/...最新日本金屬粉末 鐳射造型複合加工技術

最新日本金屬粉末鐳射造型複合加工技術 - CAE Moldingcaemolding.org/newsevents/news/ipf2014/forum/dl/file/OPM/...最新日本金屬粉末鐳射造型複合加工技術