3D打印技術(shù)和真空注型工藝在一體式軟硬雙材質(zhì)零件制造上的應(yīng)用

楊才峰　劉鋒　陸奇能　周敏　張殿勇

摘 要：介紹了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和真空注型工藝制造的過程，比較兩種工藝的優(yōu)勢和不足，通過在車身加油口蓋底座快速制造中的應(yīng)用實(shí)例表明，在汽車研發(fā)階段的樣件制造中，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和真空注型工藝相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)低成本，高效的小批量一體式軟硬雙材質(zhì)零件制造。

關(guān)鍵詞：快速成型 真空注型 選擇性激光燒結(jié) 硅膠模

1 引言

在汽車研發(fā)過程中，汽車零部件設(shè)計(jì)基本完成之后，需要根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行少量的樣件試制，以便對樣件結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行匹配試裝或試驗(yàn)驗(yàn)證。

目前汽車制造業(yè)面臨瞬息萬變的市場的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)的競爭日趨激烈，汽車產(chǎn)品迭代速度加快，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低新產(chǎn)品開發(fā)投資風(fēng)險(xiǎn)，成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。為了達(dá)到這個(gè)目的，樣件制造必須滿足試制精度高、試制周期短和試制成本低的條件。

基于快速成型和快速模具技術(shù)的真空注型工藝在試制行業(yè)應(yīng)用廣泛，可以實(shí)現(xiàn)功能樣件的快速制作。

隨著SLS技術(shù)在快速制造行業(yè)的引入，真空注型快速制造工藝也面臨一些變革。以下介紹選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和真空注型工藝結(jié)合在快速制造領(lǐng)域的應(yīng)用情況，分析選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和真空注型工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出兩種工藝結(jié)合應(yīng)用的實(shí)際案例。

2 選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)概述

選擇性激光燒結(jié)（SLS）采用高能激光器作為能源，按照計(jì)算機(jī)輸出的產(chǎn)品模型的分層輪廓，在選擇區(qū)域內(nèi)掃描熔融工作臺上已均勻鋪層的粉末 材料，處于掃描區(qū)內(nèi)的粉末被激光光束熔融后，形成一層燒結(jié)層。逐層燒結(jié)后，再去掉多余的粉末即獲得產(chǎn)品原型樣件。理論上任何加熱后能夠形成原子件粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。圖1為SLS設(shè)備的工作原理圖。

與傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨和CNC等機(jī)械加工方式不同，選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)，不需要復(fù)雜的工藝、龐大的機(jī)床和眾多的人力。這種制造工藝?yán)梅勰┓謱佣逊e增材制造的原理，通過將三維數(shù)據(jù)切分為若干二維薄層平面后再逐層疊加成型的方法，能夠根據(jù)零件的CAD模型直接成形復(fù)雜的零部件，不需要任何工裝就能將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)構(gòu)思一步轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，擺脫了常規(guī)方法對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件加工的諸多限制，可以大幅度提高樣件的制造效率，提高產(chǎn)品研發(fā)速度[1]。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)目前在汽車行業(yè)與廣泛的應(yīng)用，特別在樣件制造領(lǐng)域。研發(fā)階段的樣件一般為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)裝配結(jié)構(gòu)或搭載功能試驗(yàn)，為了發(fā)現(xiàn)問題盡快更改設(shè)計(jì)。若采用傳統(tǒng)的切削加工工藝，工序復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，而采用激光燒結(jié)技術(shù)優(yōu)勢明顯。最重要的是激光燒結(jié)技術(shù)能夠加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜、帶負(fù)角結(jié)構(gòu)的樣件，如圖2、圖3為SLS工藝制作的樣件是傳統(tǒng)切削加工方法無法實(shí)現(xiàn)的。

3 真空注型工藝概述

真空注型工藝是指由快速成型技術(shù)得到的原型樣件翻制成硅膠模具，在真空條件下向模具內(nèi)澆注雙組分的聚氨酯，固化后就可達(dá)到所需要的零件。它要求兩個(gè)組分有一定的存放穩(wěn)定性；混合和抽真空過程中反應(yīng)程度適中，能夠流動(dòng)充滿整個(gè)模腔，注射完成后反應(yīng)固化成型[3]。

真空注型工藝使用硅膠模具的使用壽命為10～20件，可用于制作不超過600mm的中小型尺寸的零件。

真空注型工藝的模具制造方法是通過把原型樣件固定到圍框中，把硅膠一次澆注到圍框內(nèi)固化成型完成模腔結(jié)構(gòu)的制作，固化后手工剖切分型，使上下模分別固化成型。其硅膠模具制造流程如圖4[1]：

真空注型工藝樣件制作是在常溫下應(yīng)用真空注型機(jī)，在一定的真空度（約1X10﹣2MPa）和大氣壓力的作用下，加入一定配比的雙組分反應(yīng)固化聚氨酯材料，雙組分材料在混合反應(yīng)和注射成型時(shí)產(chǎn)生氣泡，真空環(huán)境下，便于脫除氣泡。真空注型工藝制作的樣件填充性好，細(xì)節(jié)特征清晰。真空注型工藝流程如下。

4 兩種工藝中的優(yōu)缺點(diǎn)

真空注型工藝在常溫下材料注入、反應(yīng)、固化后成型，材料反應(yīng)速度的控制影響制作樣件的成型質(zhì)量。影響材料反應(yīng)速度的主要因素包括反應(yīng)溫度、材料混合均勻性、模腔流道尺寸等。

影響硅膠模特性的因素主要有：制模用的硅膠新能、模具的注口與開模結(jié)構(gòu)、模芯與預(yù)制件的使用、模具尺寸與模腔體積等，這些因素會 影響到模具的注塑件精度和試用壽命。硅膠?？焖僦颇Ｓ腥缦绿攸c(diǎn)：

● 良好的制模操作性。固化成型后的軟膜具為透明或半透明狀，具有較好的拉伸強(qiáng)度，便于切割分型。

● 良好的復(fù)現(xiàn)性。制模用硅膠在固化前具有良好的流動(dòng)性，配合真空排氣，可以準(zhǔn)確保持模型的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

● 良好的脫模性。對于樣件在出模方向上的負(fù)角結(jié)構(gòu)，可依靠材料的彈性變形直接取出樣件。

● 良好的樣件尺寸穩(wěn)定性

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)目前在快速制造行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，尤其在塑料件的快速制造方面。相對于大批量制造的塑料件，用于研發(fā)階段試驗(yàn)搭載的塑料件工作溫度和強(qiáng)度要求不高，對材料的力學(xué)性能要求較低，可以充分發(fā)揮SLS技術(shù)的優(yōu)勢[2]。

● 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

● 產(chǎn)品有較高的硬度，可滿足部分零件試驗(yàn)需求；

● 可采取多種原料；

● 零件的制作時(shí)間短；

● 對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件也可一體成型；

● 無需設(shè)計(jì)和構(gòu)造支撐；

● 一次性可成型多個(gè)樣件；

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)確定：

● 加工前需要預(yù)熱原材料到熔點(diǎn)以下；加工完成后需要逐漸冷卻；

● 表面粗糙度受原材料顆粒大小及激光點(diǎn)限制，比較粗糙；

● 后處理時(shí)有粉塵產(chǎn)生。

5 選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)在真空注型工藝中的應(yīng)用

汽車加油口蓋總成是車身的一種開啟件，它要求與車身側(cè)圍、燃油箱、加油口底座、加油口蓋等之間需要有良好的配合關(guān)系。作為重要的功能件，必須保證加油口蓋有良好的開閉功能。隨著汽車外部造型結(jié)構(gòu)的不斷變化，加油口蓋和加油口底座的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，制作難度也越來越高。目前，如何解決加油口蓋對車身型面及工藝要求較高，且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本較高的問題，已成為技術(shù)人員需要解決的技術(shù)難題。

圖5所示加油口底座。由于配合密封要求，它有硬質(zhì)塑料骨架合軟質(zhì)橡膠密封部分組成。在汽車研發(fā)過程中，需要小批量制作加油口蓋底座樣件用于試驗(yàn)樣車裝車試驗(yàn)。這些試驗(yàn)用的樣件需求在百件之內(nèi)。制作方法一般采用先制作母件，再根據(jù)母件使用硅膠、環(huán)氧樹脂、聚氨酯或低熔點(diǎn)合金材料制作模具。加油口蓋底座由于有兩種材料組成，制作時(shí)候需要兩套模具。一套模具先把塑料骨架制作出來，然后把塑料骨架鑲嵌到另一套模具中，然后再向模具中澆注軟質(zhì)橡膠；從而完成加油口底座的制作。

在本案例中我們采用分體制作的方法對加油口蓋底座樣件的制作進(jìn)行優(yōu)化，采用選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)與真空注型工藝結(jié)合的方法制作樣件，取得了良好的效果，節(jié)省了1套模具成本，縮短了加油口蓋的制作周期。

5.1 拆分加油口蓋底座塑料骨架用SLS工藝制作

5.2 軟質(zhì)橡膠用真空注型模具制作

5.3 加油口底座塑料骨架和軟質(zhì)橡膠密封件通過連接結(jié)構(gòu)匹配連接一起

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和真空注型工藝相結(jié)合制造一體式軟硬雙材質(zhì)零件：1）減少了生產(chǎn)工序，減少一套模具投入，節(jié)約了費(fèi)用；2）提高生產(chǎn)效率，選擇性激光燒結(jié)和真空注型工藝并行生產(chǎn)，效率提升30%以上。

6 結(jié)論

SLS技術(shù)是快速成型領(lǐng)域很有特色的工藝方法，可以作為真空注型模具制作工藝的有力補(bǔ)充，通過兩種工藝的結(jié)合不但能夠快速提高研發(fā)試制樣件的制作周期，也能降低樣件生產(chǎn)成本。

雖然SLS技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是因?yàn)槟壳捌洳牧系膹?qiáng)度比批量材料略差，因此不適合做受力、受熱的功能測試零件。未來隨著成型材料的發(fā)展，可以預(yù)期SLS技術(shù)將會取得更迅速的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙建亮，孫京文，歐炳峰等.選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在注射模上的應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2015，41（10）：1-4.

[2]周豐松，王偉振.快速成形和快速模具在樣車試制工程中的應(yīng)用[J].汽車工程，2008（07）：631-634+638.

[3]歐智華.硅膠快速模具真空注型過程CAE分析[D].天津大學(xué)，2008.