【解析】基于粉末材料3D打印的复杂零件和模具制造技术

目前，复杂金属零件／模具的快速制造技术在航空航天等高科技行业的应用引人瞩目。ＳＬＭ可直接制造任意复杂形状的高密度、高强度、高精度等良好机械性能的金属零件／模具，可加快制造速度，降低成本；更重要的是，它可以制造传统制造方法无法加工的复杂金属零件／模具。

华中科技大学模具国家重点实验 室快速制造中心从１９９８年开始，主要从高性能、高可靠、低成本ＳＬＳ主机及其软件，适合不同用途的低成本ＳＬＳ材料及其制备方法，塑料零件、金属零件、具有随形冷却流道的模具和铸件的快速制造工艺等方面进行系统研究，并在技术上取得创新和突破，最终目标是形成适合我国国情的高性能、高可靠、低成本成套ＳＬＳ快速制造体系，并在我国推广应用，以提高企业新产品的开发速度和参与国际竞争的能力。

ＳＬＳ方法在成形高分子、陶瓷、覆膜砂、生物等粉末材料时有很多优点。但在成形金属零件和模具时，其成形产品存在致密度低、机械性能差和精度差等缺陷，需要通过渗金属等 复杂的后处理工艺才能使用。因此， 近年来，在ＳＬＳ快速成形技术的基础上，形成了一种新的ＳＬＭ快速成形技术， 它可以采用小功率激光器直接快速制造致密度可达１００％、精度达±０．１ｍｍ的各种复杂金属零件／模具，ＳＬＭ制件只需经过少量的加工（如抛光等），就可以达到较高的精度，无须其他的后处理工艺，具有广阔的应用前景。

ＳＬＭ技术的工作原理与ＳＬＳ技术一样，都采用激光束扫描金属粉末分层的方法制造出所需的金属零件／模具。不同的是ＳＬＭ技术使金属零件／模具ＣＡＤ模型切片实体部分一定层厚的金属粉末全部熔化，直接制造高密度金属件／模具。德国是最早从事ＳＬＭ技术研究的国家。ＭＣＰ－ＨＥＫ公司于２００３年底将ＳＬＭ系统推向市场。英国利物浦大学是第一个购买和运用ＳＬＭ系统的用户。

１ 设备
（１） ＳＬＳ设备包括主机和控制系统。
ＳＬＳ系统主机主要由自动送粉装置、可升降工作台、预热装置、激光器及扫描装置、检测装置等组成。针对现有国内外ＳＬＳ系统难以直接制造大尺寸零件的现状，华中科技大学从预热装置、预热温度控制和激光扫 描方式等相关方面进行攻关和创新，解决大尺寸ＳＬＳ零件易于变形的难题，开发了目前世界上最大工作台面（５００ｍｍ×５００ｍｍ）的ＳＬＳ系统。该系统的主要性能参数为：激光器，ＣＯ２ ５０Ｗ；激光定位精度０．０２ｍｍ；激光最大扫描速度５ｍ／ｓ。 ＳＬＳ控制系统的硬件由控制系统、传感检测装置和驱动单元等部分组成。为了达到高性能、高可靠和低成本的目的，我们提出了基于软件芯片的控制系统结构。该控制系统由接口模板、驱动单元、检测装置等部分组成，用软件来实现原来由硬件完成的许多功能，在保证可靠性和技术指标要求的前提下，大幅度降低控制系 统硬件的成本。

（２） 真空注型设备。
利用ＳＬＳ原形（或其他原形零件）快速制作硅橡胶模具，利用此模具，在真空注型设备中小批量快速浇注出塑料制品。华中科技大学开发了真空注型设备，最大浇注尺寸为６８０ｍｍ×４８０ｍｍ×５４０ｍｍ。

２ 材料
（１） 低成本ＳＬＳ粉末材料。
国外的ＳＬＳ粉末材料价格非常昂贵，且只售给购买其ＳＬＳ系统的用户，材料配方和制备方法严格保密。 为此，在分析对比国外同类材料的基础上，以国产原材料为对象，在对粉末烧结材料的热吸收性、热传导性、收缩率、熔点、玻璃化转变温度、熔体粘度以及流动性等物理特性进行大量的研究和试验的基础上，研究和开发了适合不同用途、具有自主知识产权的８种ＳＬＳ粉末材料，即聚苯乙烯 （ＰＳ）基、高抗冲聚苯乙烯（ＨＩＰＳ）基、ＰＳ／纳米碳管复合材料、聚酰胺（ＰＡ）／玻璃微珠复合材料４种高分子粉末材料，铁基、不锈钢基、自加热３种金属粉末材料，１种覆膜砂ＳＬＳ粉末材料，其综合指标达到国内外同类材料的水 平。

（２） 真空浇注材料。
聚氨酯（ＰＵ）弹性体以其卓越的综合性能——高强度、高硬度、高模量为特点，广泛地应用于汽车、建筑、轻工业和航天等领域。然而，由于普通的聚氨酯树脂的光学不透明和耐热性差，使其应用范围受到限制。因此，改善ＰＵ树脂的耐热性，生产出高透明、高强度、高硬度、高模量等综合性能优越的树脂已成为当今ＰＵ材料研究的热点。 华中科技大学快速制造中心成功开发了一系列用于真空浇注的透明聚氨酯树脂材料。

３ 软件
软件包括在线实时区域自适应切片软件、直接切片软件系统、工艺参数规划智能系统、二维镂空软件等。

４ 工艺
（１） 塑料功能零件的制造。
对于强度要求不高（小于１５ＭＰａ）的塑料功能零件，为了克服国外尼龙基结晶形高分子粉末材料制成的塑料功能件的缺陷，提出先用无定形高分子粉末材料制造塑料件原形，然后再渗树脂增强；对于强度要求较高（大于１５ＭＰａ）的塑料功能零件，采用华中 科技大学快速制造中心开发的尼龙基粉末材料，用ＳＬＳ方法直接制造。

（２） 与传统铸造技术相结合的工艺。
用ＳＬＳ技术提升传统铸造工艺 水平，主要方法是用ＳＬＳ技术制造熔模和砂型（芯）。目前国外制作熔模的ＳＬＳ材料价格贵、汽化温度高（大于 １０００℃），不适应我国现有的传统铸 造工艺。为此，我们提出开发低成本的熔模ＳＬＳ材料及与我国传统精密铸造工艺相结合的技术方案。

（３） 金属零件／模具的快速制造工艺。
基于自主研发的低成本ＳＬＳ金属粉末材料，探索出一套相应的快速制造复杂金属零件和具有随形冷却流道模具的工艺路线。

５ 应用实例
５．１ 在快速制造塑料件中的应用
（１） 单件（或数件）塑料件。

ａ． 低成本塑料功能零件的快速制造工艺。 对于拉伸强度小于１５ＭＰａ的单件（或数件）塑料功能件，可以采用高分子粉末→ＳＬＳ烧结→塑料原形件→渗树脂增强→塑料功能件的工艺路线制造，其中低成本高分子粉末和增强树脂由华中科技大学快速制造中心开发。汽车发动机缸头即为用这种工艺制造的低成本塑料功能零件。

ｂ． 高强度塑料功能零件的快速制造工艺。 对于拉伸强度大于１５ＭＰａ的单件（或数件）塑料功能件，可采用华中 科技大学快速制造中心开发的尼龙（ＰＡ）基粉末，用ＳＬＳ方法直接制造。


ｃ． 精密铸造熔模用塑料件的快速制造工艺。对于单件（或数件）精密铸造熔模用塑料件，可以采用华中科技大学快速制造中心开发的低成本高分子粉末材料制作ＳＬＳ原形，然后经过浸蜡处理，渗蜡件的拉伸强度为６．４ＭＰａ，可满足熔模铸造的要求。

（２）数十件塑料件。
数十件塑料制品的快速制造工艺，可采用以下技术路线：三维ＣＡＤ→快速成形制作原形件→制作硅胶模（常称“软模”）→采用双组分高分子材料真空注型法制成塑料件。

５．２ 在快速制造金属件中的应用
（１） 与铸造技术结合的工艺。
主要有基于ＳＬＳ的覆膜砂型（芯） 铸造工艺、基于ＳＬＳ的石膏型精密铸造工艺（如摩托车发动机缸体及铝合 金铸件）、基于ＳＬＳ的内嵌其他材料的石膏型精密铸造工艺（如内嵌钢圈的摩 托车箱体铝合金零件）等。

（２）基于ＳＬＳ的金属零件快速制造工艺。
采用填加高分子粘结剂的金属粉末→ＳＬＳ绕结→脱出分子粘结剂→渗低熔点金属→金属零件。

５．３ 在快速制造金属   
模具中的应用在现代制造业中模具起着越来越重要的作用。从１９９７年起，我国模具工业的 产值超过了机床工业产值。但传统的模具制造成本高，周期长，无法加工结构复杂的模具。如在制作模具冷却流道时，传统方法采用在模具内部钻孔来实现，当模具的形状复杂时，这种方法无法使冷却流道随模腔的形状变化而随形分布，导致零件冷却不均匀产 生变形，影响质量和成品率，特别是当采用精密注塑工艺时问题更加突出。虽然采用铸造方法可以制作随型冷却流道的模具，但生产效率很低。采用本技术就可以解决上述问题。

１ 设备
华中科技大学开发的ＳＬＭ设备的主要技术与性能指标如下。
（１）配备ＹＡＧ半导体泵浦激光器ＳＬＭ装备的零件成形空间为：标准型３２０ｍｍ×３２０ｍｍ×４５０ｍｍ，其他型号可根据用户要求确定成形空间；
（２） 配备光纤激光器的ＳＬＭ装备的零件成形空间为：标准型２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×２５０ｍｍ，其他型号可根据用户要求确定成形空间；
（３）成形速度：≥７０００ｍｍ３／ｈ；
（４）ＹＡＧ激光功率：１５０Ｗ；
（５）光纤激光功率：１００Ｗ；
（６）金属粉末铺粉层厚度：５０～１００μｍ；
（７）激光光斑：φ３０～２５０μｍ；
（８）金属粉末粒径：φ１０～４５μｍ。

２ 应用
（１）超轻航空航天部件的快速制造。在满足各种性能要求的前提下，用ＳＬＭ方法制造的零件重量与传统方法制造的零件相比，可减重９０％左右。
（２）刀具的快速制造。用ＳＬＭ方法可以快速制造具有 随形冷却流道的刀具和模具，使其冷却效果更好，从而减少冷却时间，提高生产效率和产品质量。
（３）微散热器的快速制造。用ＳＬＭ方法可以快速制造具有交叉流道的微散热器，流道结构尺寸目前做到０．５ｍｍ，表面粗糙度达到Ｒａ＝８．５μｍ。这种微散热器可以用于冷却高能量密度的微处理器芯片、激光二极管等具有集中热源的器件。
（４） 生物制造。将ＳＬＭ方法用于生物制造，具有以下优点： ・能够制造多孔生物构件；・生物构件的密度可以任意变化； ・构件体积孔隙度可以达到 ７５％～９５％。


编辑：南极熊
作者： 史玉升  黄树槐  蔡道生  张李超  刘  洁  沈其文（华中科技大学）