SLM技術對模具制造業的影響及其技術發展

張穎

（北京城市學院 101309）

SLM技術對模具制造業的影響及其技術發展

張穎

（北京城市學院 101309）

本文基于金屬粉末的激光選區熔化（SLM）技術，探討了它在模具制造業中的應用優勢和技術發展。作為金屬3D打印技術的一個重要分支，SLM技術在模具制造業中的廣泛應用和發展對于傳統模具制造業轉型升級具有深遠影響。

激光選區熔化（SLM）技術；金屬3D打印技術；模具制造業

1 概述

3D打印技術，是先由計算機輔助設計（CAD）再現需要制造的產品的數字化模型，并將其轉化為3D打印設備可以識別的分層結構，使用塑料、金屬甚至生物組織活性細胞作為各分層結構的材料，通過層層疊加，最后累積成一個實體零件的制造技術。目前，3D打印技術已經發展出多種材料累積方法，其中激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術和激光選區燒結（Selective Laser Sintering，SLS）技術已經被嘗試用于制造注塑模具零件，而SLM技術更具有優勢，是極具發展前景的金屬零件3D打印技術。

2 SLM技術及其技術發展對模具制造業的影響

SLM技術與SLS技術的工藝過程原理基本相同，都是使用激光在預先鋪設好的金屬粉末層上進行有選擇性地照射，將該部分金屬粉末區域熔化或燒結，并不斷重復鋪粉與照射的過程，從而逐漸疊層造型，最終制造出所需形狀的金屬零件。而相比之下，SLM技術不需要脫脂、浸滲等后續工藝，可以直接完成金屬的熔化結合，同時能夠達到近乎100%的致密度。工具鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦和鈦合金、鈷鉻合金等金屬材料都能使用該技術。

2.1 SLM技術在模具制造業中的應用優勢

SLM技術用于制造注塑模具零件的好處在于其具有良好的加工柔性，可以借助計算機輔助設計工具（CAD）在模具內部加工出任意形狀的冷卻水路。這些冷卻水路將會有助于改善模具冷卻狀況，縮短注塑件的成型周期，從而加快注塑件的生產過程，同時提高注塑件的品質。比如汽車輔助油箱的噴射泵（JP）及溢流部（OF）模具零件。模具零件由SLM技術制成，由于在這兩個狹窄零件內部布置了冷卻水路，使得整個模具的冷卻時間從原理的25s縮短到了10s，即冷卻時間減少了60%，從而提高了對應注塑件零件的生產率，而且零件的圓座部分和SNAP FIT部分的尺寸精度也獲得了提高。

同時，使用SLM技術可以制造具有透氣功能的模具零件。在SML技術中，通過利用激光控制金屬粉末的熔化程度可以控制模具零件表面層的致密度，進而控制模具零件的透氣性。使用這一技術，可以在模具的任何位置上構造具有稀松致密度的多孔質層，這種多孔質層可以作為氣輔成型時的腔內進氣機構，也有利于排除模具內困氣。另外例如一種具有多孔表面層的透氣桿被裝入模腔內，起到氣輔進氣和模內排氣的作用，而且使用不同的激光參數得到的多孔質層具有不同的致密度。

2.2 SLM技術在模具制造業中的技術發展

SLM技術在制造注塑模具零件的過程中也存在一些固有缺陷。例如，在激光掃描金屬粉末過程中，會出現熔液飛濺、金屬熔液由于表面張力的作用而球化以及金屬熔液粘附其他金屬粉末等現象，從而造成所制造零件的尺寸精度不夠（一般為±100μm），表面粗糙度較大（一般只能做到Rz=數百μm）等問題。這些問題雖然可以通過機械精加工或者電火花加工等后處理方法得到改善，但是對于一些具有復雜型腔表面或者具有微細深槽結構且對上述結構具有一定精度要求的模具零件，其后處理工藝可能無法進行或者可能導致零件損壞。所以，為了彌補SLM技術的這些不足，一種將SLM技術和高速切削加工融為一體的新型加工方法應運而生，被稱為金屬粉末激光造型復合加工技術。

金屬粉末激光造型復合加工技術結合了增材工藝和減材工藝的反向加工手法，同時集成了材料技術、計算機技術、激光技術和數控加工技術。與單純的SLM技術相比，金屬粉末激光造型復合加工技術的加工精度有顯著提高，其尺寸精度可提高到±0.005mm以下，表面粗糙度可提高到Rz=1μm以下；而且該項新技術具有高度的柔性，能一次性地加工完成具有任意形狀冷卻水路和排氣系統且型腔表面形狀復雜難以進行后續加工的精密模具零件。這樣，通過金屬粉末激光造型復合加工技術便能同時達到提高模具的表面精度、縮短模具的冷卻時間、排除模具內困氣、提高注塑成型效率、改善注塑件品質和提高模具使用壽命的目的。如圖1所示的是使用SLM技術和金屬粉末激光造型復合加工技術對某模具零件加工完成后的實效圖對比。

圖1 SLM技術與金屬粉末激光造型復合加工技術的加工實效對比

3 結束語

激光選區熔化（SLM）技術作為極具發展前景的金屬零件3D打印技術，它的發展和成熟為模具制造業的發展提供了良好的契機，也加快了模具制造業轉型升級的步伐。同時，該技術也為更多的模具企業和用戶提供了實現自身想法和需求的機會。相信該技術一定能幫助我國提升模具制造業理念和水平，使我國成為真正的制造強國。

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