選擇性激光燒結（SLS）在模具制造中的應用

【摘 要】傳統的模具加工方法在看到零件圖紙產生設計概念后，需要進一步設計加工圖、工藝規程等等，而選擇性激光燒結可根據三維CAD數模直接制造出具有復雜內部結構的模具，簡化了制模的工藝過程，大大節約了產品成本，提高了產品的生產效率，特別適合新產品的開發和單件小批量產品的生產。本文介紹了選擇性激光燒結的原理及在模具制造業的應用。

【關鍵詞】模具制造；選擇性激光燒結；粉末燒結

1.選擇性激光燒結（SLS）的簡介

隨著世界經濟競爭的日益激烈化和全球化，產品制造商們越來越需要以最短的時間制造出符合人們消費需求的新產品來搶占市場。20世紀80年代末出現的SLS技術就是在這樣的背景下提出并逐步得以發展的。它是一種逐層零件制造上藝，它突破傳統的材料變形成型和去除材料成型的工藝方法，使用近乎全自動化的工藝從CAD文件直接生產所需要的模型或模具，可以顯著減少產品原型的開發時間和成本，極大的提高產品的質量；由于SLS工藝具有選材廣泛、適用性廣、制造工藝比較簡單、成形精度高、無需支撐結構、可直接燒結模具等諸多優點，成為當前發展最快、最為成功的且已經商業化的模具制造方法之一，在現代制造業得到越來越廣泛的重視。因此。SLS技術在模具制造業中越來越具有競爭力，有望成為21世紀的的主流制造技術。

2.原理

選擇性激光燒結是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末.并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。SLS的原理與SLA十分相象，主要分別在于所使用的材料及其性狀。SLA所用的材料是液態的紫外光敏可凝固樹脂，而SLS則使用粉狀的材料。這是該項技術的主要優點之一，因為理論上任何可熔的粉末都可以用來制造模型，這樣的模型可以用作真實的原型元件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等。該技術最大特點是能同時用幾種不同材料（聚碳酸脂、聚乙烯氯化物、石蠟、尼龍、ABS、鑄造砂）制造一個零件。其原理如圖1所示：

圖1 選擇性激光燒結原理圖

3.選擇性激光燒結在模具設計制造中的應用和實例

SIS工藝已經成功應用于汽車、造船、航天和航空等諸多模具制造行業，為許多傳統制造業注人了新的生命力和創造力。概括地說，SIS工藝可以應用于以下一些場合①快速原型制造。可快速制造設計零件的原型，及時進行評價、修正以提高產品的設計質量；使客戶獲得直觀的零件模型；制造教學、試驗用復雜模型。和其他的快速原型技術一樣，SLS也是采用激光束對粉末狀的成型材料進行分層掃描，受到激光束照射的粉末被燒結。當一個層被掃描燒結完畢后，工作臺下降一個層的厚度，一個敷料輥又在上面敷上一層均勻密實的粉末，直至完成整個造型。在造型過程中，未經燒結的粉末對模型的空腔和懸臂部分起著支撐作用，不必象SLA工藝那樣另行生成支撐工藝結構。可制作一些光造型法難以制作的大型零件和厚壁樣件，且制作成本低廉（約為光造型法的1/2）、速度高（約為木模制作時間的1/5以下），并可簡便地分析設計構思和功能。②快速模具和工具制造。將SIS制造的零件直接作為模具使用，如砂型鑄造用模、金屬冷噴模、低熔點合金模等；也可將成型件經后處理后作功能性零部件使用。③單件或小批量生產。對于那些不能批量生產或形狀很復雜的零件，利用SIS技術來制造模具，可降低成本和節約生產時間，這對航空航天及國防工業更具有重大意義。國內，北京隆源自動成形系統有限公司在快速精密鑄造方面取得了諸多成果，利用其開發的AFS-300激光快速成型機在較短時間內可為用戶制成鑄件原型、熔模及鑄造型殼。

4.以下為國內外SLS制造的成型材料的模具

倨我所知：國外的廠家在SLS領域研究開發最具權威和代表性的是DTM公司，它開發研究的材料類型主要有聚酰胺粉末。添加玻璃珠的聚酰胺粉末等。主要用在概念型，測試型模具制造，消失模制造，功能零件或金屬模具制造領域。而國內的研究廠家主要有華中科技大學，華北工學院，北京隆原自動成型有限公司，它們的材料分別是覆膜砂，PS粉，覆膜陶瓷，覆膜金屬，原型燒結粉等。主要用在砂鑄模具，熔模制造，金屬模具，陶瓷模具精鑄等領域。以下為SLS技術制造出的不同材料的模具例子：

4.1聚碳酸酯類模具。應用如下

航天航空（如葉片-葉輪、飛機零件等）。

汽車生產（如發動機、泵、排氣管等）。

鑄造業（如熔模鑄造、砂模鑄造等）。

模型制造（如外觀模型制造、硅膠模具制造、樹脂模具制造等）。

醫療用途（如牙科、骨科等的修補及矯正等）。

4.2纖細尼龍及合成尼龍模具。應用如下：

電器用品制造（如吹發器、空調等）。

電動工具制造（如手動電鉆）。

通訊設備制造（如電話外殼、裝配零件等）。

其他如玩具制造、油封制造、端子及線耳制造等各行各業的塑膠原型制造。

4.3金屬模具。應用如下

航空/航天。

汽車生產 硅膠模制造。

熔模鑄造 砂模鑄造。

各行各業的新產品開發（設計鑒定）。

4.4塑料模具

應用于所有塑膠行業的試產模具制造。

5.SIS技術在模具設計制造業中的優勢

（1）其過程與零件復雜程度無關，是真正的自由模具制造，這是傳統手工模具制造方法無法比擬的。SIS可以成型幾乎任意幾何形狀的零件，對具有復雜內部結構的零件特別有效。（2）生產周期短，從CAD設計到模具的加工完成只需幾小時到幾十小時，整個生產過程數字化，可隨時修正、隨時制造，這一特點使其特別適合于新產品的開發。（3）材料范同寬，任何受熱粘結的粉末材料都被用作SIS原材料的可能性。材料無浪費，未燒結的粉末可重復使用。

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