SLM技术对模具制造业的影响及其技术发展

张颖

（北京城市学院 101309）

SLM技术对模具制造业的影响及其技术发展

张颖

（北京城市学院 101309）

本文基于金属粉末的激光选区熔化（SLM）技术，探讨了它在模具制造业中的应用优势和技术发展。作为金属3D打印技术的一个重要分支，SLM技术在模具制造业中的广泛应用和发展对于传统模具制造业转型升级具有深远影响。

激光选区熔化（SLM）技术；金属3D打印技术；模具制造业

1 概述

3D打印技术，是先由计算机辅助设计（CAD）再现需要制造的产品的数字化模型，并将其转化为3D打印设备可以识别的分层结构，使用塑料、金属甚至生物组织活性细胞作为各分层结构的材料，通过层层叠加，最后累积成一个实体零件的制造技术。目前，3D打印技术已经发展出多种材料累积方法，其中激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术和激光选区烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术已经被尝试用于制造注塑模具零件，而SLM技术更具有优势，是极具发展前景的金属零件3D打印技术。

2 SLM技术及其技术发展对模具制造业的影响

SLM技术与SLS技术的工艺过程原理基本相同，都是使用激光在预先铺设好的金属粉末层上进行有选择性地照射，将该部分金属粉末区域熔化或烧结，并不断重复铺粉与照射的过程，从而逐渐叠层造型，最终制造出所需形状的金属零件。而相比之下，SLM技术不需要脱脂、浸渗等后续工艺，可以直接完成金属的熔化结合，同时能够达到近乎100%的致密度。工具钢、不锈钢、铝合金、铜合金、钛和钛合金、钴铬合金等金属材料都能使用该技术。

2.1 SLM技术在模具制造业中的应用优势

SLM技术用于制造注塑模具零件的好处在于其具有良好的加工柔性，可以借助计算机辅助设计工具（CAD）在模具内部加工出任意形状的冷却水路。这些冷却水路将会有助于改善模具冷却状况，缩短注塑件的成型周期，从而加快注塑件的生产过程，同时提高注塑件的品质。比如汽车辅助油箱的喷射泵（JP）及溢流部（OF）模具零件。模具零件由SLM技术制成，由于在这两个狭窄零件内部布置了冷却水路，使得整个模具的冷却时间从原理的25s缩短到了10s，即冷却时间减少了60%，从而提高了对应注塑件零件的生产率，而且零件的圆座部分和SNAP FIT部分的尺寸精度也获得了提高。

同时，使用SLM技术可以制造具有透气功能的模具零件。在SML技术中，通过利用激光控制金属粉末的熔化程度可以控制模具零件表面层的致密度，进而控制模具零件的透气性。使用这一技术，可以在模具的任何位置上构造具有稀松致密度的多孔质层，这种多孔质层可以作为气辅成型时的腔内进气机构，也有利于排除模具内困气。另外例如一种具有多孔表面层的透气杆被装入模腔内，起到气辅进气和模内排气的作用，而且使用不同的激光参数得到的多孔质层具有不同的致密度。

2.2 SLM技术在模具制造业中的技术发展

SLM技术在制造注塑模具零件的过程中也存在一些固有缺陷。例如，在激光扫描金属粉末过程中，会出现熔液飞溅、金属熔液由于表面张力的作用而球化以及金属熔液粘附其他金属粉末等现象，从而造成所制造零件的尺寸精度不够（一般为±100μm），表面粗糙度较大（一般只能做到Rz=数百μm）等问题。这些问题虽然可以通过机械精加工或者电火花加工等后处理方法得到改善，但是对于一些具有复杂型腔表面或者具有微细深槽结构且对上述结构具有一定精度要求的模具零件，其后处理工艺可能无法进行或者可能导致零件损坏。所以，为了弥补SLM技术的这些不足，一种将SLM技术和高速切削加工融为一体的新型加工方法应运而生，被称为金属粉末激光造型复合加工技术。

金属粉末激光造型复合加工技术结合了增材工艺和减材工艺的反向加工手法，同时集成了材料技术、计算机技术、激光技术和数控加工技术。与单纯的SLM技术相比，金属粉末激光造型复合加工技术的加工精度有显著提高，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；而且该项新技术具有高度的柔性，能一次性地加工完成具有任意形状冷却水路和排气系统且型腔表面形状复杂难以进行后续加工的精密模具零件。这样，通过金属粉末激光造型复合加工技术便能同时达到提高模具的表面精度、缩短模具的冷却时间、排除模具内困气、提高注塑成型效率、改善注塑件品质和提高模具使用寿命的目的。如图1所示的是使用SLM技术和金属粉末激光造型复合加工技术对某模具零件加工完成后的实效图对比。

图1 SLM技术与金属粉末激光造型复合加工技术的加工实效对比

3 结束语

激光选区熔化（SLM）技术作为极具发展前景的金属零件3D打印技术，它的发展和成熟为模具制造业的发展提供了良好的契机，也加快了模具制造业转型升级的步伐。同时，该技术也为更多的模具企业和用户提供了实现自身想法和需求的机会。相信该技术一定能帮助我国提升模具制造业理念和水平，使我国成为真正的制造强国。

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