选择性激光烧结（SLS）在模具制造中的应用

【摘 要】传统的模具加工方法在看到零件图纸产生设计概念后，需要进一步设计加工图、工艺规程等等，而选择性激光烧结可根据三维CAD数模直接制造出具有复杂内部结构的模具，简化了制模的工艺过程，大大节约了产品成本，提高了产品的生产效率，特别适合新产品的开发和单件小批量产品的生产。本文介绍了选择性激光烧结的原理及在模具制造业的应用。

【关键词】模具制造；选择性激光烧结；粉末烧结

1.选择性激光烧结（SLS）的简介

随着世界经济竞争的日益激烈化和全球化，产品制造商们越来越需要以最短的时间制造出符合人们消费需求的新产品来抢占市场。20世纪80年代末出现的SLS技术就是在这样的背景下提出并逐步得以发展的。它是一种逐层零件制造上艺，它突破传统的材料变形成型和去除材料成型的工艺方法，使用近乎全自动化的工艺从CAD文件直接生产所需要的模型或模具，可以显著减少产品原型的开发时间和成本，极大的提高产品的质量；由于SLS工艺具有选材广泛、适用性广、制造工艺比较简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结模具等诸多优点，成为当前发展最快、最为成功的且已经商业化的模具制造方法之一，在现代制造业得到越来越广泛的重视。因此。SLS技术在模具制造业中越来越具有竞争力，有望成为21世纪的的主流制造技术。

2.原理

选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末.并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。SLS的原理与SLA十分相象，主要分别在于所使用的材料及其性状。SLA所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。这是该项技术的主要优点之一，因为理论上任何可熔的粉末都可以用来制造模型，这样的模型可以用作真实的原型元件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。该技术最大特点是能同时用几种不同材料（聚碳酸脂、聚乙烯氯化物、石蜡、尼龙、ABS、铸造砂）制造一个零件。其原理如图1所示：

图1 选择性激光烧结原理图

3.选择性激光烧结在模具设计制造中的应用和实例

SIS工艺已经成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多模具制造行业，为许多传统制造业注人了新的生命力和创造力。概括地说，SIS工艺可以应用于以下一些场合①快速原型制造。可快速制造设计零件的原型，及时进行评价、修正以提高产品的设计质量；使客户获得直观的零件模型；制造教学、试验用复杂模型。和其他的快速原型技术一样，SLS也是采用激光束对粉末状的成型材料进行分层扫描，受到激光束照射的粉末被烧结。当一个层被扫描烧结完毕后，工作台下降一个层的厚度，一个敷料辊又在上面敷上一层均匀密实的粉末，直至完成整个造型。在造型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必象SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构。可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能。②快速模具和工具制造。将SIS制造的零件直接作为模具使用，如砂型铸造用模、金属冷喷模、低熔点合金模等；也可将成型件经后处理后作功能性零部件使用。③单件或小批量生产。对于那些不能批量生产或形状很复杂的零件，利用SIS技术来制造模具，可降低成本和节约生产时间，这对航空航天及国防工业更具有重大意义。国内，北京隆源自动成形系统有限公司在快速精密铸造方面取得了诸多成果，利用其开发的AFS-300激光快速成型机在较短时间内可为用户制成铸件原型、熔模及铸造型壳。

4.以下为国内外SLS制造的成型材料的模具

倨我所知：国外的厂家在SLS领域研究开发最具权威和代表性的是DTM公司，它开发研究的材料类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，测试型模具制造，消失模制造，功能零件或金属模具制造领域。而国内的研究厂家主要有华中科技大学，华北工学院，北京隆原自动成型有限公司，它们的材料分别是覆膜砂，PS粉，覆膜陶瓷，覆膜金属，原型烧结粉等。主要用在砂铸模具，熔模制造，金属模具，陶瓷模具精铸等领域。以下为SLS技术制造出的不同材料的模具例子：

4.1聚碳酸酯类模具。应用如下

航天航空（如叶片-叶轮、飞机零件等）。

汽车生产（如发动机、泵、排气管等）。

铸造业（如熔模铸造、砂模铸造等）。

模型制造（如外观模型制造、硅胶模具制造、树脂模具制造等）。

医疗用途（如牙科、骨科等的修补及矫正等）。

4.2纤细尼龙及合成尼龙模具。应用如下：

电器用品制造（如吹发器、空调等）。

电动工具制造（如手动电钻）。

通讯设备制造（如电话外壳、装配零件等）。

其他如玩具制造、油封制造、端子及线耳制造等各行各业的塑胶原型制造。

4.3金属模具。应用如下

航空/航天。

汽车生产 硅胶模制造。

熔模铸造 砂模铸造。

各行各业的新产品开发（设计鉴定）。

4.4塑料模具

应用于所有塑胶行业的试产模具制造。

5.SIS技术在模具设计制造业中的优势

（1）其过程与零件复杂程度无关，是真正的自由模具制造，这是传统手工模具制造方法无法比拟的。SIS可以成型几乎任意几何形状的零件，对具有复杂内部结构的零件特别有效。（2）生产周期短，从CAD设计到模具的加工完成只需几小时到几十小时，整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造，这一特点使其特别适合于新产品的开发。（3）材料范同宽，任何受热粘结的粉末材料都被用作SIS原材料的可能性。材料无浪费，未烧结的粉末可重复使用。

【参考文献】

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