快速原型激光烧结技术的应用范围十分广泛,包括:塑胶、金属材料功能性原型的直接生产;应用于注塑、压铸及其他的金属模具的直接生产;应用于多种铸造技术(真空铸造、熔模铸造、砂型铸造)的直接生产;作为最终零件(单个或数以万计)的直接生产。在产品的生命周期越来越受到人们重视的今天,可以说激光烧结技术将电子化制造(e-Manufacturing)和快速制造(Rapid Manufacturing)这两个概念具体化和加以实施了。
在近10年里,激光烧结(Laser-sintering)技术的发展,以及其在传统快速原型(RapidPrototyping)中的应用,不但可以实现单件产品的生产,同时也实现了快速、灵活、有效的批量生产。
德国EOS公司于1994年分别推出了三个系列的产品。第一个系列是以热塑性粉末为原料的激光烧结系统,称之为EOSINT P。这种系统是以尼龙粉末烧结功能性零件或以聚苯乙烯材料粉末烧结原型,然后做熔模铸造或真空铸型。第二个产品系列是金属粉末激光直接烧结系统,应用于金属模具及金属零件的直接加工,称之为EOSINT M。第三个产品系列是用激光直接烧结树脂砂,可以一次完成任意复杂的铸造砂型和砂芯的成型,称为EOSINT S。这三种激光烧结系统一个共同点,就是以聚焦后的激光束逐层烧结固化粉末状材料(热塑性材料、金属、铸造砂),从而生成三维零件。
由于组成汽车的零部件很多,可以说汽车的安全性就是其零部件各个功能的综合体现,因此,对汽车零部件的开发和生产的要求也更为严格。快速成型技术应用在汽车零部件的开发及制造中能够有效地降低开发成本,不仅能够达到汽车零部件的质量要求,同时也满足了汽车开发周期短这一特性。
热塑性粉末材料的激光烧结
图1中的油箱是使用EOSINT P700系统以塑胶(此处使用聚酰胺,俗称尼龙)激光烧结技术实现的快速原型。其加工时间(包括数据处理、成型、冷却、清洁时间)只需4天,与传统方法相比节省了75%的时间及25%的生产成本。在车辆上加入汽油进行测试,其产品的韧性、密度及抗化学特性均很高。同时,只需更改CAD的数据就可完成设计上的修改,使用附加成本相当小。
图2中的摩托车赛车变速箱的融模铸造金属件,由于具有复杂的几何形状和高要求的机械性能,因此,对于这些薄壁件的生产来说,熔模铸造过程是十分困难的,尤其是使用钛金属。而以聚苯乙烯粉末材料烧结的工件,可以得到不错的表面质量,并很容易用于融模铸造(灰粉残留率万分之五)。从这个例子来看,铸造并不仅限于原型的制造,也可用作最终产品零件的小批量生产。
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金属粉末的激光烧结技术
直接金属激光烧结同样可应用于快速原型。在产品开发阶段,有时需要等候一个重要的关键性零部件才可以工作,对于生产这种金属的功能性原型,DMLS可以说是一个不错的方法。图3为一个传动轮,使用DirectSteel金属粉末烧结而成,可作测试实验。
另外,在很多实际情况下,如:高档轿车其本身产量不多,所需零部件的加工就需要寻找一种灵活、经济的生产方式。直接金属粉末烧结金属模具就是一种很好的选择。高档梅赛德斯奔驰轿车内饰件的模具就是一个小批量生产的案例,图4中是使用Direct metal烧结得到的模具,可以看出产品是有着较复杂的筋板结构的薄壁件,因此对产品的机械性能有着较高的要求。使用Direct metal烧结系统,使整个周期包括模具设计在内到交货期缩短到了25天,并交付了50000件的合格产品。
激光烧结的砂型用于砂型铸造
以激光烧结的砂型用于砂型铸造可以制造原型、生产零件或备用件。图5是V6发动机的缸盖,以往的加工方法是需要很多不同的砂芯,每个砂芯都需要不同的模具加工,而且还要在最后将这些砂芯拼接起来。而激光烧结砂型的方法可以一次成型,加工时间由以往的18周缩减到3周。无论从加工的时间还是加工的精度来讲,激光烧结砂型都是最好的开发方案。
激光烧结的发展进程
以上所述是由快速原型走向最终零件及批量生产的发展趋势,激光烧结技术的进步将大大加快这种趋势的发展。
物料的特性是直接使用激光烧结生产最终零件的关键因素。现在金属及塑胶粉末的性能已有了显著的改善,举例来说,现在使用的尼龙粉末比工程上使用的PA12和ABS材料在机械性能上都有着更佳的表现。使用DirectSteel 20金属粉末制造金属零件,其拉伸强度高达600MPa,精度、表面处理效果也有很大的提升。1999年,20μm厚度粉末的出现,标志着这一阶段的重大突破。同时,它对于最终的金属零件及DMLS模具的应用也有着重大的意义。