SLM技術(shù)對模具制造業(yè)的影響及其技術(shù)發(fā)展

張穎

（北京城市學(xué)院 101309）

SLM技術(shù)對模具制造業(yè)的影響及其技術(shù)發(fā)展

張穎

（北京城市學(xué)院 101309）

本文基于金屬粉末的激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)，探討了它在模具制造業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢和技術(shù)發(fā)展。作為金屬3D打印技術(shù)的一個重要分支，SLM技術(shù)在模具制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展對于傳統(tǒng)模具制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有深遠(yuǎn)影響。

激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)；金屬3D打印技術(shù)；模具制造業(yè)

1 概述

3D打印技術(shù)，是先由計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）再現(xiàn)需要制造的產(chǎn)品的數(shù)字化模型，并將其轉(zhuǎn)化為3D打印設(shè)備可以識別的分層結(jié)構(gòu)，使用塑料、金屬甚至生物組織活性細(xì)胞作為各分層結(jié)構(gòu)的材料，通過層層疊加，最后累積成一個實體零件的制造技術(shù)。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出多種材料累積方法，其中激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)和激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)已經(jīng)被嘗試用于制造注塑模具零件，而SLM技術(shù)更具有優(yōu)勢，是極具發(fā)展前景的金屬零件3D打印技術(shù)。

2 SLM技術(shù)及其技術(shù)發(fā)展對模具制造業(yè)的影響

SLM技術(shù)與SLS技術(shù)的工藝過程原理基本相同，都是使用激光在預(yù)先鋪設(shè)好的金屬粉末層上進(jìn)行有選擇性地照射，將該部分金屬粉末區(qū)域熔化或燒結(jié)，并不斷重復(fù)鋪粉與照射的過程，從而逐漸疊層造型，最終制造出所需形狀的金屬零件。而相比之下，SLM技術(shù)不需要脫脂、浸滲等后續(xù)工藝，可以直接完成金屬的熔化結(jié)合，同時能夠達(dá)到近乎100%的致密度。工具鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦和鈦合金、鈷鉻合金等金屬材料都能使用該技術(shù)。

2.1 SLM技術(shù)在模具制造業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢

SLM技術(shù)用于制造注塑模具零件的好處在于其具有良好的加工柔性，可以借助計算機(jī)輔助設(shè)計工具（CAD）在模具內(nèi)部加工出任意形狀的冷卻水路。這些冷卻水路將會有助于改善模具冷卻狀況，縮短注塑件的成型周期，從而加快注塑件的生產(chǎn)過程，同時提高注塑件的品質(zhì)。比如汽車輔助油箱的噴射泵（JP）及溢流部（OF）模具零件。模具零件由SLM技術(shù)制成，由于在這兩個狹窄零件內(nèi)部布置了冷卻水路，使得整個模具的冷卻時間從原理的25s縮短到了10s，即冷卻時間減少了60%，從而提高了對應(yīng)注塑件零件的生產(chǎn)率，而且零件的圓座部分和SNAP FIT部分的尺寸精度也獲得了提高。

同時，使用SLM技術(shù)可以制造具有透氣功能的模具零件。在SML技術(shù)中，通過利用激光控制金屬粉末的熔化程度可以控制模具零件表面層的致密度，進(jìn)而控制模具零件的透氣性。使用這一技術(shù)，可以在模具的任何位置上構(gòu)造具有稀松致密度的多孔質(zhì)層，這種多孔質(zhì)層可以作為氣輔成型時的腔內(nèi)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)，也有利于排除模具內(nèi)困氣。另外例如一種具有多孔表面層的透氣桿被裝入模腔內(nèi)，起到氣輔進(jìn)氣和模內(nèi)排氣的作用，而且使用不同的激光參數(shù)得到的多孔質(zhì)層具有不同的致密度。

2.2 SLM技術(shù)在模具制造業(yè)中的技術(shù)發(fā)展

SLM技術(shù)在制造注塑模具零件的過程中也存在一些固有缺陷。例如，在激光掃描金屬粉末過程中，會出現(xiàn)熔液飛濺、金屬熔液由于表面張力的作用而球化以及金屬熔液粘附其他金屬粉末等現(xiàn)象，從而造成所制造零件的尺寸精度不夠（一般為±100μm），表面粗糙度較大（一般只能做到Rz=數(shù)百μm）等問題。這些問題雖然可以通過機(jī)械精加工或者電火花加工等后處理方法得到改善，但是對于一些具有復(fù)雜型腔表面或者具有微細(xì)深槽結(jié)構(gòu)且對上述結(jié)構(gòu)具有一定精度要求的模具零件，其后處理工藝可能無法進(jìn)行或者可能導(dǎo)致零件損壞。所以，為了彌補SLM技術(shù)的這些不足，一種將SLM技術(shù)和高速切削加工融為一體的新型加工方法應(yīng)運而生，被稱為金屬粉末激光造型復(fù)合加工技術(shù)。

金屬粉末激光造型復(fù)合加工技術(shù)結(jié)合了增材工藝和減材工藝的反向加工手法，同時集成了材料技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)。與單純的SLM技術(shù)相比，金屬粉末激光造型復(fù)合加工技術(shù)的加工精度有顯著提高，其尺寸精度可提高到±0.005mm以下，表面粗糙度可提高到Rz=1μm以下；而且該項新技術(shù)具有高度的柔性，能一次性地加工完成具有任意形狀冷卻水路和排氣系統(tǒng)且型腔表面形狀復(fù)雜難以進(jìn)行后續(xù)加工的精密模具零件。這樣，通過金屬粉末激光造型復(fù)合加工技術(shù)便能同時達(dá)到提高模具的表面精度、縮短模具的冷卻時間、排除模具內(nèi)困氣、提高注塑成型效率、改善注塑件品質(zhì)和提高模具使用壽命的目的。如圖1所示的是使用SLM技術(shù)和金屬粉末激光造型復(fù)合加工技術(shù)對某模具零件加工完成后的實效圖對比。

圖1 SLM技術(shù)與金屬粉末激光造型復(fù)合加工技術(shù)的加工實效對比

3 結(jié)束語

激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)作為極具發(fā)展前景的金屬零件3D打印技術(shù)，它的發(fā)展和成熟為模具制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的契機(jī)，也加快了模具制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的步伐。同時，該技術(shù)也為更多的模具企業(yè)和用戶提供了實現(xiàn)自身想法和需求的機(jī)會。相信該技術(shù)一定能幫助我國提升模具制造業(yè)理念和水平，使我國成為真正的制造強(qiáng)國。

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