【解析】基于粉末材料3D打印的復雜零件和模具制造技術

目前，復雜金屬零件／模具的快速制造技術在航空航天等高科技行業(yè)的應用引人矚目。ＳＬＭ可直接制造任意復雜形狀的高密度、高強度、高精度等良好機械性能的金屬零件／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雜金屬零件／模具。

華中科技大學模具國家重點實驗 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行系統(tǒng)研究，并在技術上取得創(chuàng)新和突破，最終目標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，并在我國推廣應用，以提高企業(yè)新產品的開發(fā)速度和參與國際競爭的能力。

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

ＳＬＭ技術的工作原理與ＳＬＳ技術一樣，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技術使金屬零件／模具ＣＡＤ模型切片實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技術研究的國家。ＭＣＰ－ＨＥＫ公司于２００３年底將ＳＬＭ系統(tǒng)推向市場。英國利物浦大學是第一個購買和運用ＳＬＭ系統(tǒng)的用戶。

１ 設備
（１） ＳＬＳ設備包括主機和控制系統(tǒng)。
ＳＬＳ系統(tǒng)主機主要由自動送粉裝置、可升降工作臺、預熱裝置、激光器及掃描裝置、檢測裝置等組成。針對現(xiàn)有國內外ＳＬＳ系統(tǒng)難以直接制造大尺寸零件的現(xiàn)狀，華中科技大學從預熱裝置、預熱溫度控制和激光掃 描方式等相關方面進行攻關和創(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)、傳感檢測裝置和驅動單元等部分組成。為了達到高性能、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)結構。該控制系統(tǒng)由接口模板、驅動單元、檢測裝置等部分組成，用軟件來實現(xiàn)原來由硬件完成的許多功能，在保證可靠性和技術指標要求的前提下，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，在真空注型設備中小批量快速澆注出塑料制品。華中科技大學開發(fā)了真空注型設備，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格保密。 為此，在分析對比國外同類材料的基礎上，以國產原材料為對象，在對粉末燒結材料的熱吸收性、熱傳導性、收縮率、熔點、玻璃化轉變溫度、熔體粘度以及流動性等物理特性進行大量的研究和試驗的基礎上，研究和開發(fā)了適合不同用途、具有自主知識產權的８種ＳＬＳ粉末材料，即聚苯乙烯 （ＰＳ）基、高抗沖聚苯乙烯（ＨＩＰＳ）基、ＰＳ／納米碳管復合材料、聚酰胺（ＰＡ）／玻璃微珠復合材料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，其綜合指標達到國內外同類材料的水 平。

（２） 真空澆注材料。
聚氨酯（ＰＵ）彈性體以其卓越的綜合性能——高強度、高硬度、高模量為特點，廣泛地應用于汽車、建筑、輕工業(yè)和航天等領域。然而，由于普通的聚氨酯樹脂的光學不透明和耐熱性差，使其應用范圍受到限制。因此，改善ＰＵ樹脂的耐熱性，生產出高透明、高強度、高硬度、高模量等綜合性能優(yōu)越的樹脂已成為當今ＰＵ材料研究的熱點。 華中科技大學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
軟件包括在線實時區(qū)域自適應切片軟件、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。
對于強度要求不高（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；對于強度要求較高（大于１５ＭＰａ）的塑料功能零件，采用華中 科技大學快速制造中心開發(fā)的尼龍基粉末材料，用ＳＬＳ方法直接制造。

（２） 與傳統(tǒng)鑄造技術相結合的工藝。
用ＳＬＳ技術提升傳統(tǒng)鑄造工藝 水平，主要方法是用ＳＬＳ技術制造熔模和砂型（芯）。目前國外制作熔模的ＳＬＳ材料價格貴、汽化溫度高（大于 １０００℃），不適應我國現(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)精密鑄造工藝相結合的技術方案。

（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，探索出一套相應的快速制造復雜金屬零件和具有隨形冷卻流道模具的工藝路線。

５ 應用實例
５．１ 在快速制造塑料件中的應用
（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。 對于拉伸強度小于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→塑料原形件→滲樹脂增強→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樹脂由華中科技大學快速制造中心開發(fā)。汽車發(fā)動機缸頭即為用這種工藝制造的低成本塑料功能零件。

ｂ． 高強度塑料功能零件的快速制造工藝。 對于拉伸強度大于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，然后經過浸蠟處理，滲蠟件的拉伸強度為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用
（１） 與鑄造技術結合的工藝。
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)動機缸體及鋁合 金鑄件）、基于ＳＬＳ的內嵌其他材料的石膏型精密鑄造工藝（如內嵌鋼圈的摩 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劑的金屬粉末→ＳＬＳ繞結→脫出分子粘結劑→滲低熔點金屬→金屬零件。

５．３ 在快速制造金屬   
模具中的應用在現(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 產值超過了機床工業(yè)產值。但傳統(tǒng)的模具制造成本高，周期長，無法加工結構復雜的模具。如在制作模具冷卻流道時，傳統(tǒng)方法采用在模具內部鉆孔來實現(xiàn)，當模具的形狀復雜時，這種方法無法使冷卻流道隨模腔的形狀變化而隨形分布，導致零件冷卻不均勻產 生變形，影響質量和成品率，特別是當采用精密注塑工藝時問題更加突出。雖然采用鑄造方法可以制作隨型冷卻流道的模具，但生產效率很低。采用本技術就可以解決上述問題。

１ 設備
華中科技大學開發(fā)的ＳＬＭ設備的主要技術與性能指標如下。
（１）配備ＹＡＧ半導體泵浦激光器ＳＬＭ裝備的零件成形空間為：標準型３２０ｍｍ×３２０ｍｍ×４５０ｍｍ，其他型號可根據(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：標準型２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×２５０ｍｍ，其他型號可根據(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，從而減少冷卻時間，提高生產效率和產品質量。
（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，流道結構尺寸目前做到０．５ｍｍ，表面粗糙度達到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： ・能夠制造多孔生物構件；・生物構件的密度可以任意變化； ・構件體積孔隙度可以達到 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）