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              【解析】基于粉末材料3D打印的復雜零件和模具制造技術
              責任編輯:Normanbell FX 日期:2019-12-25 08:35:16
              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研究,并在技術上取得創新和突破,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,以提高企業新產品的開發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系統推向市場。英國利物浦大學是第一個購買和運用SLM系統的用戶。 
              1 設備 
              (1) SLS設備包括主機和控制系統。
              SLS系統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。針對現有國內外SLS系統難以直接制造大尺寸零件的現狀,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新,解決大尺寸SLS零件易于變形的難題,開發了目前世界上最大工作臺面(500mm×500mm)的SLS系統。該系統的主要性能參數為:激光器,CO2 50W;激光定位精度0.02mm;激光最大掃描速度5m/s。 SLS控制系統的硬件由控制系統、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結構。該控制系統由接口模板、驅動單元、檢測裝置等部分組成,用軟件來實現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域自適應切片軟件、直接切片軟件系統、工藝參數規劃智能系統、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的尼龍基粉末材料,用SLS方法直接制造。

              (2) 與傳統鑄造技術相結合的工藝。
              用SLS技術提升傳統鑄造工藝 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℃),不適應我國現有的傳統鑄 造工藝。為此,我們提出開發低成本的熔模SLS材料及與我國傳統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。汽車發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(或數件)塑料功能件,可采用華中 科技大學快速制造中心開發的尼龍(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)數十件塑料件。 
              數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捎秒p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    
              模具中的應用在現代制造業中模具起著越來越重要的作用。從1997年起,我國模具工業的 產值超過了機床工業產值。但傳統的模具制造成本高,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,傳統方法采用在模具內部鉆孔來實現,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%。


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