金属激光烧结技术DMLS在模具上的应用分析

1 简介

通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠以生成致密的几何形状的实体零件。这种零件制造工艺又叫作直接金属激光烧结技术Direct Metal Laser-Sintering（DMLS）。通过选用不同的烧结材料和调节工艺参数，可以生成性能差异变化很大的零件，从具有多孔性的透气钢，到耐腐蚀的不锈钢再到组织致密的模具钢（强度优于铸造或锻造）。这种离散法制造技术甚至实现直接制造出非常复杂的零件，避免了用铣削和放电加工，为设计提供了更宽的自由度。

本文以德国EOS公司的EOSINT M系统为例，介绍DMLS在模具方面的应用。EOSINT M 是在欧洲开发DMLS技术最领先的企业之一，自1995年它的商业化以来十年里，模具行业是其主要的应用领域。这项应用作为最常用的一种快速模具方法是由于大幅缩短了产品开发过程，使样品模型的制造推出时间变得非常短，所以早期的用户也把这称作“样品模”，也就是说这样能缩短模具研制周期。早些年只有相对软的材料适用这种技术，所以大部分塑料样品模具都是这样制做，而随着技术的不断进步，应用领域也扩展到了适用于塑料、金属压铸和冲压等各种量产模具。应用这项技术的优点不仅仅是周期短，而且使模具设计师把心思集中在如何建构最佳的几何造型，而不用考虑加工的可行性与否。结合运用CAD和CAE技术，可以制造出包任意冷却水路的模具结构，如上图1左a所示为的镶件上通上水路以减小模具上热集中最终降低产品收缩变形量；对于关键的模具配件，如图1右b为对热浇口套上加上冷却可以降低成型周期，这样做可以极大地改善品质和并大幅降低生产的成本。今天EOSINT M工作系统正用于百万次的塑胶模具和十万次的冲压和铸造模具。

图1 冷却水路的模具结构

下面就主要以DMLS的在模具方面的应用实例特别是针对塑料模具的快速开发来展开研讨！

2 应用快速模具的原因和实例

2.1 快速模具在制造中节省时间和成本

模具制造一般是代价很高且耗费时间的一项活动，包含许多步骤，也需要许多昂贵的设备和专业人员。传统的方法，即使加工一个简单的只有前后两半的模具也通常需要CNC铣削和EDM才能加工出来,前模（即注射侧）的型腔和后模（即顶出侧）的沟槽形状。铣削可以将

原来的六面体毛胚经过去除材料，按CNC程序提供的路径进行粗加工和精加工，最后不能铣削的深槽和尖的内角再由CNC所铣出来的电极对相应部位进行EDM电腐蚀加工。复杂一些的产品的模具还有滑块，活动镶件及其它机构，生产这类更复杂的模具因此也就更费时费力。所以为了降低成本和时间就有采用DMLS快速模具的动机。DMLS能在各种状况下替换代价高昂CNC和EDM极大地发控作用。如下图2所示是一款PC的LED灯柱的例子：a左为快速模具模仁，b中为注塑模具整体，c右为成型的产品。

图2 PC的LED灯柱

这是一副比较简单的多腔模具，然而传统方式上仍然需要EDM加工。但用EOSINT M 270 system来制做前后模仁总共才花5小时40分，不需要太多的后加工和钳工修配，仅仅只要喷砂和轻微的手工修磨。前后模在架上注塑机后就能直接开机生产。这样从项目启动到开始连续生产只要仅仅6天。

如下图3所示是一款汽车上操纵杆部件的模具：a左为快速模具的后模，b中为快速模具整个装配件，c右为成型的零件及装配。

图3 汽车上操纵杆部件的模具

上图所包含的操纵杆装配的一些需要生产的零件，大约要5000来装配，总共包含大约14个PA6.6GF的零件要来开模，采用最少加工量的快速模具来生产，这里边14副模具和5000套产品在9个周内全部完成，包括一副因为客户设变原因造成的3个周的延期，该圆形的

产品而采用非均匀的收缩率而产生模具修改补正。这样的实际所用6个工作周比原来因为模具供应商采用传统加工方式的交货时间16个周要快得多。另外模具成本也降到了一半。

2.2 快速模具在制造中解决技术难题

在其它情况下快速模具也适用于生产高度复杂的模具，包含多种极其复杂的曲面及结构，如下图4所示是几类模具的例子：

图4 几类模具的例子图

a左为游戏机面板的模芯，b中和c右为复杂造型的的模芯。

这些都是由快速模具制造而无后加工的例子，包含倒扣的软胶模具，不用太多的努力就可以很容易地完成制作，而这些倒扣在按传统机加工会增加许多难度。尽管快速制造的模具和样品为量产模增加了实现的方式，而这种方法还经常用在快速成型样品和过渡模具（或中间模具）。

3 高性能模具的改善方式

快速模具的主要动机是用DMLS独一无二的特点来改善模具的性能，也就是说在模具生产以后能够获得更好的生产工艺性。当然在大多情况下这包括时间和成本的节省，特别是量产很大的模具，在工艺环节上哪怕有一丁点的浪费都会大幅增加总体成本。如果采用快速模具能优化调节水路以获得均匀的理想的模温和冷却效果，这在行业内是人人皆知的改善模具质量的道理。这样能缩短生产周期和降低产品变形和尺寸问题引起的报废率，其结果是降低了成本也提高了生产率。以传统方式加工水路必须要用钻孔或线切割等方式，这就限制了水路设计必须是直通型式的组合，在不与型腔面和顶针及其它结构有干涉的情况下一般用深孔钻来加工。而采用了DMLS，水路的位置和型式就可以极大地发挥设计者的想象空间，理想的冷却水路是与模具形状相适应的，保证模温均匀和冷却效果。当水路设计能匹配模具的几何造型时，我们就称之为“随形冷却”。

下图5为一个电器外彀模具随形冷却的例子：a左为传统模具的冷却，b中为可以优化的快速模具的冷却，c右为冷却分析的模具温度模拟。

图5 电器外彀模具随形冷却

许多研究和案例都证实了水路优化的好处，在图5中，由PEP所做的理论和实际生产中，将模具温度降低20度，同时生产周期也降低了20秒。LBC的一个报告指出，当使用快速模具优化水路后他们的生产周期降低了60%，废品率也从50%降低到了0。

下图6中的项目是随形冷却结合最新模具技术运用的又一个例子：这是一个高尔夫赠品球的模具，量大而成本极低。该产品生产工艺为PP挤吹模塑成型结合弹性体的注塑成型。避免球的变形和困气缺陷并保证圆度是非常重要的，这在吹塑成型中的好的排气是必须的。

图6 随形冷却结合最新模具技术运用

a左为模腔的随形冷却，b中模腔上的排气（绿色小槽），c右为实际模腔剖切图。

这种结合了排气槽和冷却水路的模具的实现方式，以及选择DMLS材料及工艺参数来制造不带任何外观痕迹而有微细孔的排气合金钢材料模具。它可以使模仁部分的体积做得相当的小相当地紧凑，因此也节省了时间和成本。8个这样的模仁组成一副4腔的模具，达到生产2000万的需求，而这副4腔模具仅仅只需要50小时的加工量，由随形冷却可以提高20%的生产效率。

4 在模具制造中运用快速模具方法

在上面所提及的这些益处可以由不同的快速模具制造方法来实现。一个简单的方法了制造模