【解析】基于粉末材料3D打印的復(fù)雜零件和模具制造技術(shù)

目前，復(fù)雜金屬零件／模具的快速制造技術(shù)在航空航天等高科技行業(yè)的應(yīng)用引人矚目。ＳＬＭ可直接制造任意復(fù)雜形狀的高密度、高強(qiáng)度、高精度等良好機(jī)械性能的金屬零件／模具，可加快制造速度，降低成本；更重要的是，它可以制造傳統(tǒng)制造方法無法加工的復(fù)雜金屬零件／模具。

華中科技大學(xué)模具國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 室快速制造中心從１９９８年開始，主要從高性能、高可靠、低成本ＳＬＳ主機(jī)及其軟件，適合不同用途的低成本ＳＬＳ材料及其制備方法，塑料零件、金屬零件、具有隨形冷卻流道的模具和鑄件的快速制造工藝等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，并在技術(shù)上取得創(chuàng)新和突破，最終目標(biāo)是形成適合我國國情的高性能、高可靠、低成本成套ＳＬＳ快速制造體系，并在我國推廣應(yīng)用，以提高企業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)速度和參與國際競(jìng)爭(zhēng)的能力。

ＳＬＳ方法在成形高分子、陶瓷、覆膜砂、生物等粉末材料時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)。但在成形金屬零件和模具時(shí)，其成形產(chǎn)品存在致密度低、機(jī)械性能差和精度差等缺陷，需要通過滲金屬等 復(fù)雜的后處理工藝才能使用。因此， 近年來，在ＳＬＳ快速成形技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成了一種新的ＳＬＭ快速成形技術(shù)， 它可以采用小功率激光器直接快速制造致密度可達(dá)１００％、精度達(dá)±０．１ｍｍ的各種復(fù)雜金屬零件／模具，ＳＬＭ制件只需經(jīng)過少量的加工（如拋光等），就可以達(dá)到較高的精度，無須其他的后處理工藝，具有廣闊的應(yīng)用前景。

ＳＬＭ技術(shù)的工作原理與ＳＬＳ技術(shù)一樣，都采用激光束掃描金屬粉末分層的方法制造出所需的金屬零件／模具。不同的是ＳＬＭ技術(shù)使金屬零件／模具ＣＡＤ模型切片實(shí)體部分一定層厚的金屬粉末全部熔化，直接制造高密度金屬件／模具。德國是最早從事ＳＬＭ技術(shù)研究的國家。ＭＣＰ－ＨＥＫ公司于２００３年底將ＳＬＭ系統(tǒng)推向市場(chǎng)。英國利物浦大學(xué)是第一個(gè)購買和運(yùn)用ＳＬＭ系統(tǒng)的用戶。

１ 設(shè)備
（１） ＳＬＳ設(shè)備包括主機(jī)和控制系統(tǒng)。
ＳＬＳ系統(tǒng)主機(jī)主要由自動(dòng)送粉裝置、可升降工作臺(tái)、預(yù)熱裝置、激光器及掃描裝置、檢測(cè)裝置等組成。針對(duì)現(xiàn)有國內(nèi)外ＳＬＳ系統(tǒng)難以直接制造大尺寸零件的現(xiàn)狀，華中科技大學(xué)從預(yù)熱裝置、預(yù)熱溫度控制和激光掃 描方式等相關(guān)方面進(jìn)行攻關(guān)和創(chuàng)新，解決大尺寸ＳＬＳ零件易于變形的難題，開發(fā)了目前世界上最大工作臺(tái)面（５００ｍｍ×５００ｍｍ）的ＳＬＳ系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要性能參數(shù)為：激光器，ＣＯ２ ５０Ｗ；激光定位精度０．０２ｍｍ；激光最大掃描速度５ｍ／ｓ。 ＳＬＳ控制系統(tǒng)的硬件由控制系統(tǒng)、傳感檢測(cè)裝置和驅(qū)動(dòng)單元等部分組成。為了達(dá)到高性能、高可靠和低成本的目的，我們提出了基于軟件芯片的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)由接口模板、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)裝置等部分組成，用軟件來實(shí)現(xiàn)原來由硬件完成的許多功能，在保證可靠性和技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，大幅度降低控制系 統(tǒng)硬件的成本。

（２） 真空注型設(shè)備。
利用ＳＬＳ原形（或其他原形零件）快速制作硅橡膠模具，利用此模具，在真空注型設(shè)備中小批量快速澆注出塑料制品。華中科技大學(xué)開發(fā)了真空注型設(shè)備，最大澆注尺寸為６８０ｍｍ×４８０ｍｍ×５４０ｍｍ。

２ 材料
（１） 低成本ＳＬＳ粉末材料。
國外的ＳＬＳ粉末材料價(jià)格非常昂貴，且只售給購買其ＳＬＳ系統(tǒng)的用戶，材料配方和制備方法嚴(yán)格保密。 為此，在分析對(duì)比國外同類材料的基礎(chǔ)上，以國產(chǎn)原材料為對(duì)象，在對(duì)粉末燒結(jié)材料的熱吸收性、熱傳導(dǎo)性、收縮率、熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔體粘度以及流動(dòng)性等物理特性進(jìn)行大量的研究和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)了適合不同用途、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的８種ＳＬＳ粉末材料，即聚苯乙烯 （ＰＳ）基、高抗沖聚苯乙烯（ＨＩＰＳ）基、ＰＳ／納米碳管復(fù)合材料、聚酰胺（ＰＡ）／玻璃微珠復(fù)合材料４種高分子粉末材料，鐵基、不銹鋼基、自加熱３種金屬粉末材料，１種覆膜砂ＳＬＳ粉末材料，其綜合指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)外同類材料的水 平。

（２） 真空澆注材料。
聚氨酯（ＰＵ）彈性體以其卓越的綜合性能——高強(qiáng)度、高硬度、高模量為特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于汽車、建筑、輕工業(yè)和航天等領(lǐng)域。然而，由于普通的聚氨酯樹脂的光學(xué)不透明和耐熱性差，使其應(yīng)用范圍受到限制。因此，改善ＰＵ樹脂的耐熱性，生產(chǎn)出高透明、高強(qiáng)度、高硬度、高模量等綜合性能優(yōu)越的樹脂已成為當(dāng)今ＰＵ材料研究的熱點(diǎn)。 華中科技大學(xué)快速制造中心成功開發(fā)了一系列用于真空澆注的透明聚氨酯樹脂材料。

３ 軟件
軟件包括在線實(shí)時(shí)區(qū)域自適應(yīng)切片軟件、直接切片軟件系統(tǒng)、工藝參數(shù)規(guī)劃智能系統(tǒng)、二維鏤空軟件等。

４ 工藝
（１） 塑料功能零件的制造。
對(duì)于強(qiáng)度要求不高（小于１５ＭＰａ）的塑料功能零件，為了克服國外尼龍基結(jié)晶形高分子粉末材料制成的塑料功能件的缺陷，提出先用無定形高分子粉末材料制造塑料件原形，然后再滲樹脂增強(qiáng)；對(duì)于強(qiáng)度要求較高（大于１５ＭＰａ）的塑料功能零件，采用華中 科技大學(xué)快速制造中心開發(fā)的尼龍基粉末材料，用ＳＬＳ方法直接制造。

（２） 與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合的工藝。
用ＳＬＳ技術(shù)提升傳統(tǒng)鑄造工藝 水平，主要方法是用ＳＬＳ技術(shù)制造熔模和砂型（芯）。目前國外制作熔模的ＳＬＳ材料價(jià)格貴、汽化溫度高（大于 １０００℃），不適應(yīng)我國現(xiàn)有的傳統(tǒng)鑄 造工藝。為此，我們提出開發(fā)低成本的熔模ＳＬＳ材料及與我國傳統(tǒng)精密鑄造工藝相結(jié)合的技術(shù)方案。

（３） 金屬零件／模具的快速制造工藝。
基于自主研發(fā)的低成本ＳＬＳ金屬粉末材料，探索出一套相應(yīng)的快速制造復(fù)雜金屬零件和具有隨形冷卻流道模具的工藝路線。

５ 應(yīng)用實(shí)例
５．１ 在快速制造塑料件中的應(yīng)用
（１） 單件（或數(shù)件）塑料件。

ａ． 低成本塑料功能零件的快速制造工藝。 對(duì)于拉伸強(qiáng)度小于１５ＭＰａ的單件（或數(shù)件）塑料功能件，可以采用高分子粉末→ＳＬＳ燒結(jié)→塑料原形件→滲樹脂增強(qiáng)→塑料功能件的工藝路線制造，其中低成本高分子粉末和增強(qiáng)樹脂由華中科技大學(xué)快速制造中心開發(fā)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭即為用這種工藝制造的低成本塑料功能零件。

ｂ． 高強(qiáng)度塑料功能零件的快速制造工藝。 對(duì)于拉伸強(qiáng)度大于１５ＭＰａ的單件（或數(shù)件）塑料功能件，可采用華中 科技大學(xué)快速制造中心開發(fā)的尼龍（ＰＡ）基粉末，用ＳＬＳ方法直接制造。


ｃ． 精密鑄造熔模用塑料件的快速制造工藝。對(duì)于單件（或數(shù)件）精密鑄造熔模用塑料件，可以采用華中科技大學(xué)快速制造中心開發(fā)的低成本高分子粉末材料制作ＳＬＳ原形，然后經(jīng)過浸蠟處理，滲蠟件的拉伸強(qiáng)度為６．４ＭＰａ，可滿足熔模鑄造的要求。

（２）數(shù)十件塑料件。
數(shù)十件塑料制品的快速制造工藝，可采用以下技術(shù)路線：三維ＣＡＤ→快速成形制作原形件→制作硅膠模（常稱“軟�！保�→采用雙組分高分子材料真空注型法制成塑料件。

５．２ 在快速制造金屬件中的應(yīng)用
（１） 與鑄造技術(shù)結(jié)合的工藝。
主要有基于ＳＬＳ的覆膜砂型（芯） 鑄造工藝、基于ＳＬＳ的石膏型精密鑄造工藝（如摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及鋁合 金鑄件）、基于ＳＬＳ的內(nèi)嵌其他材料的石膏型精密鑄造工藝（如內(nèi)嵌鋼圈的摩 托車箱體鋁合金零件）等。

（２）基于ＳＬＳ的金屬零件快速制造工藝。
采用填加高分子粘結(jié)劑的金屬粉末→ＳＬＳ繞結(jié)→脫出分子粘結(jié)劑→滲低熔點(diǎn)金屬→金屬零件。

５．３ 在快速制造金屬   
模具中的應(yīng)用在現(xiàn)代制造業(yè)中模具起著越來越重要的作用。從１９９７年起，我國模具工業(yè)的 產(chǎn)值超過了機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值。但傳統(tǒng)的模具制造成本高，周期長(zhǎng)，無法加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具。如在制作模具冷卻流道時(shí)，傳統(tǒng)方法采用在模具內(nèi)部鉆孔來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)模具的形狀復(fù)雜時(shí)，這種方法無法使冷卻流道隨模腔的形狀變化而隨形分布，導(dǎo)致零件冷卻不均勻產(chǎn) 生變形，影響質(zhì)量和成品率，特別是當(dāng)采用精密注塑工藝時(shí)問題更加突出。雖然采用鑄造方法可以制作隨型冷卻流道的模具，但生產(chǎn)效率很低。采用本技術(shù)就可以解決上述問題。

１ 設(shè)備
華中科技大學(xué)開發(fā)的ＳＬＭ設(shè)備的主要技術(shù)與性能指標(biāo)如下。
（１）配備ＹＡＧ半導(dǎo)體泵浦激光器ＳＬＭ裝備的零件成形空間為：標(biāo)準(zhǔn)型３２０ｍｍ×３２０ｍｍ×４５０ｍｍ，其他型號(hào)可根據(jù)用戶要求確定成形空間；
（２） 配備光纖激光器的ＳＬＭ裝備的零件成形空間為：標(biāo)準(zhǔn)型２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×２５０ｍｍ，其他型號(hào)可根據(jù)用戶要求確定成形空間；
（３）成形速度：≥７０００ｍｍ３／ｈ；
（４）ＹＡＧ激光功率：１５０Ｗ；
（５）光纖激光功率：１００Ｗ；
（６）金屬粉末鋪粉層厚度：５０～１００μｍ；
（７）激光光斑：φ３０～２５０μｍ；
（８）金屬粉末粒徑：φ１０～４５μｍ。

２ 應(yīng)用
（１）超輕航空航天部件的快速制造。在滿足各種性能要求的前提下，用ＳＬＭ方法制造的零件重量與傳統(tǒng)方法制造的零件相比，可減重９０％左右。
（２）刀具的快速制造。用ＳＬＭ方法可以快速制造具有 隨形冷卻流道的刀具和模具，使其冷卻效果更好，從而減少冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
（３）微散熱器的快速制造。用ＳＬＭ方法可以快速制造具有交叉流道的微散熱器，流道結(jié)構(gòu)尺寸目前做到０．５ｍｍ，表面粗糙度達(dá)到Ｒａ＝８．５μｍ。這種微散熱器可以用于冷卻高能量密度的微處理器芯片、激光二極管等具有集中熱源的器件。
（４） 生物制造。將ＳＬＭ方法用于生物制造，具有以下優(yōu)點(diǎn)： ・能夠制造多孔生物構(gòu)件；・生物構(gòu)件的密度可以任意變化； ・構(gòu)件體積孔隙度可以達(dá)到 ７５％～９５％。


編輯：南極熊
作者： 史玉升  黃樹槐  蔡道生  張李超  劉  潔  沈其文（華中科技大學(xué)）