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基于SLS技术的金属模具快速制造 |
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作者：机械科学研究总院 徐先宜 单忠德 冯涛 |
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SLS技术简介
选区激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS）技术是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，以逐层添加方式成形三维零件的一种快速成型（又称快速原型，英文为Rapid Prototyping，简称RP）技术。SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属粉末、石蜡等材料的零件，特别是可以制造金属模具。
激光选区烧结（SLS）工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。目前德国EOS公司推出了自己的SLS工艺成形机EOSINT，分为适用于金属、聚合物和砂型三种机型。我国的北京隆源自动成形系统有限公司和华中科技大学也相继开发出了商品化的设备。
基于SLS的拖拉机变速箱壳体模具
金属模具快速制造(Rapid Metal Tooling，简称RMT)
RP技术已经能成功地制造包括金属、陶瓷、塑料、石蜡、树脂等原型。由于所采用材料的限制，RP发展初期成型零件往往只能在有限的场合替代真正的金属或其它类型功能零件做功能实验，随着需求的增加和技术的不断发展，RP正向RMT的方向发展。RMT具有其独特的优点，如制造环节简单，特别是与计算机技术密切结合、快速完成产品制造,在缩短制造周期、节省资源、发挥材料性能、提高精度、降低成本等方面具有很大潜力,但在模具精度和性能控制等方面比较困难，如特殊的后处理设备与工艺使制造成本提高，成形尺寸也受到较大的限制。RMT研究和应用的关键在于如何提高模具的表面精度和制造效率，以及保证其综合性能质量,从而直接快速制造耐久、高精度和表面质量能满足工业化批量生产条件的模具。基于RP的RMT技术可分为直接法和间接法。
◆ 金属模具直接制造法
直接制造法即用RP原型直接制模。基于SLS的直接法因其不需要工艺转换，在模具制造周期等方面具有很大的应用潜力，从而受到高度关注。粉末堆积成形是SLS中最常见的直接制造金属模具的方法。SLS直接制模过程包括一个高温工作室和用以熔烧金属的高功率激光器。高温工作室内通常有还原性气氛、惰性气体或采用真空，以防材料氧化。激光烧结前，材料已经被加热到接近熔点，研究表明，这能更为有效地进行烧结且材料翘曲较小。直接制造出的零件具有很高的强度，可以直接作为模具。德国EOS公司Direct Steel 20-V1法以钢粉为主，其直径为20mm，层厚0.02mm，烧结密度为钢密度的95%～99%，成功解决了金属粉末凝固收缩的问题。Lohner A.等采用Ni-Cu粉末直接制造的模具,密度为理论值的80%,强度为100～200MPa，精度为0.1mm，平均粗糙度Ra为10～15um，已用于生产数百件注塑成形件。
◆ 金属模具间接制造法
间接制造法即用RP原型间接制模。SLS原型主要以非金属型为主（如ABS、蜡、树脂等），在大多数情况下非金属原型无法直接作为模具使用，需要以原型作模样，经过工艺转换，制造金属模具。间接制造的特点是RP技术与传统成形技术相结合，充分利用各自的技术优势，现已成为目前应用研究开发的热点。基于SLS的间接制造工艺包括粉末冶金成形、SLS原型的快速精密铸造、SLS陶瓷壳型铸造、树脂砂型快速铸造等。
（1）粉末冶金成形
粉末冶金成形比较类似金属粉末堆积成形，但所用复合粉末材料通常含有低温易熔组元或粘接剂。采用低功率激光器在较低温度下烧结易熔组元，经SLS过程后得到三维实体，称为生坯。这种生坯强度较低，但形状准确，需要经过后处理才能得到高强度的金属或陶瓷零件。后处理通常包括脱粘与再烧结两步。生坯放到烧结炉中进行脱粘与再烧结，脱去易熔低强度组分，剩余的金属或陶瓷粉末烧结成金属或陶瓷零件。完成的金属件通常呈褐色，称为褐色件。为降低空隙率或相对密度，褐色件还可以渗入环氧树脂或铜等金属。
美国DTM公司采用激光烧结包覆有粘结剂的钢粉,由计算机控制激光束的扫描路径,加热融化后的粘结剂将金属粉末粘结在一起(非冶金结合),生成约有45%孔隙率的零件,干燥脱湿后,放入高温炉膛内进行烧结、渗铜,生成表面密实的零件,此时零件中的材料成分为65%的钢和35%的铜，经打磨等后处理工序,得到最终的模具。
SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：一种是粘接剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械搀和，另一种则是把金属或陶瓷粉末放到粘接剂稀释液中，使基体粉末与粘接剂充分接触，制取具有粘接剂包覆的金属或陶瓷粉末。实验表明，这种粘接剂包覆的粉末制备虽然复杂，但烧结效果较机械搀和的粉末好。
（2）SLS消失模精密铸造
用塑料、石蜡、树脂等粉末烧结制得SLS原型，再进行涂料、撒砂、干燥等处理并反复多次，直到在原型上形成一个所需厚度的型壳，随后加热使模型熔化汽化消失，形成型壳，再对型壳进行焙烧，最后把熔化的金属浇注入型壳，冷却后即可得所需的模具铸件。该工艺可较好地控制模具的精度、表面质量、力学性能与使用寿命，能满足经济性的要求。用该方法制得的金属模具零件通常具有较好的机械加工性能，可进行局部切削加工，能获得更高的精度，并可嵌入镶块、冷却部件和浇道等，常用于制造塑料模、压铸模、注塑模等。
图1为用基于SLS的消失模精密铸造工艺制作的拖拉机变速箱壳体金属模具。采用SLS工艺制造原型，然后精密铸造件，从CAD设计到获得零件仅仅15天，传统工艺至少需要45天，制造成本降低60％。采用SLS工艺制造原型，采用该工艺制造的消失模铸造用模具，比传统的工艺制造周期缩短40%。
（3）SLS陶瓷壳型铸造
利用激光对以反应性树脂包覆的陶瓷粉进行烧结，烧结完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的陶瓷型壳，浇注后即可制得金属模具零件。此方法省去传统精密铸造多种工艺过程，是传统精密铸造的重大变革。激光束在计算机的控制下，根据层面中的扫描线，有选择地烧结树脂砂与环氧树脂的混合粉末材料，得到铸造型壳的一个层面后，工作台下降一个层厚，供料台上升一个层高，又开始铺新料。就这样逐层铺料，逐层烧结，最后便得出所需模具铸件型壳的反型。选择性激光烧结后的铸造型壳，残存有未固化的粉末粘结剂且粘结剂分布并不均匀，强度较低，须对铸造型壳进行烘烤硬化处理。烧烤硬化后的铸造型壳，消除了原型中粘结剂的聚集现象，使原型均匀硬透。挥发掉原型中的水分和可气化物质，改善了铸造型壳透气性，降低铸造时的发气量，从而使型壳具备良好的铸造性能。结合传统的砂型铸造工艺，在铸造型壳外面构筑浇注系统，浇注模具铸件。
它的最大优点是速度快，不需要任何模具，甚至不需画图，设计工程师通过计算机网络将资料送到铸造车间的系统中便可完成型壳的设计与制作。在CAD环境中，直接将模具零件模样转换为壳型，再配以浇注系统，型壳的厚度可取5～10mm。该工艺的不足之处主要是零件表面粗糙度值较高，其关键技术是型壳厚度、型壳表面粗糙度及固化处理工艺。
（4）SLS树脂砂铸造
将铸造树脂砂作为SLS烧结材料，根据图纸或要求设计出模具零件的三维CAD 模型 ,进行铸造工艺分析 ,主要是设计浇注系统、冒口和确定铸件的凝固收缩余量,根据收缩余量和零件尺寸设计出铸型的 CAD 模型。SLS在计算机的控制下,按照截面轮廓的信息,在粉末上扫描出截面形状,激光的功率要足够大,使得轮廓边界处的粉末完全炭化而失去固化作用,逐层扫描直至堆积出零件的三维曲面结构的分型面。随着工作台的分步下降,将树脂砂粉末逐层铺在工作台上,再用平整辊将粉末滚平、压实,每层粉末的厚度均对应于CAD 模型的切片厚度。各层上经激光扫描加热的粉末被破坏而失去固化作用,未被激光扫描的粉末仍留在原处起支撑作用,直至扫描完整个零件。对工作台的零件进行整体加热,根据树脂砂的不同,其加热温度为200～280℃。由于零件表面处的树脂砂经激光炭化而失去固化作用,因而零件表面相当于一个分型面,将零件与周边的废料块分割开来,去掉废料块,最终得到铸型。对铸型内腔表面进行适当的打磨修整或上涂料以降低内腔的表面粗糙度,然后进行浇注得到金属零件或模具。
树脂砂铸造相对于快速熔模铸造有以下优点：(a)溃散性好。与熔模铸造相比，树脂砂铸造能铸造出更复杂的零件，SLS主要用来加工无法用数控加工的气道、水套部分砂芯等。(b)造型时间短。SLS和数控技术的结合显著加快了制造砂型的速度。熔模铸造需有固定的制壳周期，而快速砂型铸造则可灵活地控制铸造时间。(c)可铸造更大模具零件。采用数控铣技术加工型腔部分一方面提高了加工效率，另一方面可以加工更大的砂型，因此可生产更大的模具零件。
结束语
基于SLS的RMT，集中体现在金属、高分子材料、蜡、陶瓷和覆膜砂。由SLS直接堆积金属成型是RMT的今后研究热点，但其难度决定了直接金属模具制造在未来短期内无法在快速模具领域中占据统治地位。而间接快速模具技术与传统铸造技术相结合的RMT方法，目前应用广泛，具有很强的生命力，能够显著缩短模具生产周期，降低成本。(end)
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(8/28/2008) |
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