用sls工艺直接制造金属模具的方法
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SLS技术简介
选择性激光烧结(SLS)技术是以红外激光为热源，烧结粉末材料，通过逐层叠加形成三维零件的快速成型(RP)技术。SLS技术的特点是材料广泛，不仅可以制造塑料零件，还可以制造陶瓷、金属粉末、石蜡等材料的零件，尤其是金属模具。
选择性激光烧结(SLS)工艺是由得克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年开发成功的。目前德国EOS公司推出了自己的SLS成型机EOSINT，分为金属、聚合物、砂型三种。中国的北京龙源自动成形系统有限公司和华中科技大学也开发了商用设备。
快速bbbbl工具(RMT)。
RP技术已经能够成功制造包括金属、陶瓷、塑料、石蜡、树脂等在内的原型。由于所用材料的限制，RP的成型件只能在有限的场合代替真实的金属或其他功能件进行功能实验。随着需求的增加和技术的不断发展，RP正向RMT方向发展。RMT有其独特的优势，如制造工艺简单，特别是与计算机技术结合紧密，产品制造快速，在缩短制造周期、节约资源、发挥材料性能、提高精度、降低成本等方面潜力巨大，但模具精度和性能难以控制，如特殊的后处理设备和工艺，增加了制造成本，极大地限制了成形尺寸。RMT研究和应用的关键在于如何提高模具的表面精度和制造效率，保证其综合性能和质量，从而直接快速地制造出满足工业批量生产条件的耐用、高精度和表面质量的模具。基于RP的RMT技术可分为直接法和间接法。
◆金属模具的直接制造方法
直接制造法是用RP原型直接成型。基于SLS的直接法由于不需要工艺转换，在模具制造周期中具有巨大的应用潜力而备受关注。粉末堆积成形是SLS中直接制造金属模具最常用的方法。SLS直接成型工艺包括高温工作室和用于熔化金属的高功率激光器。高温工作室内通常有还原气氛、惰性气体或真空，以防止材料氧化。在激光烧结之前，材料已经被加热到接近熔点。研究表明，这样可以更有效地烧结，材料翘曲较小。直接制造的零件强度高，可直接用作模具。德国EOS公司的直接钢20-V1法主要由直径20mm、层厚0.02mm、烧结密度为钢密度95% ~ 99%的钢粉组成，成功解决了金属粉末凝固收缩问题。Lohner A .等人用Ni-Cu粉末直接制造的模具，密度为理论值的80%，强度为100 ~ 200mpa，精度为0.1mm，平均粗糙度为10 ~ 15um，已用于生产数百个注塑件。
◆金属模具的间接制造方法
间接制造法是用RP原型间接成型。SLS原型主要是非金属(如ABS、蜡、树脂等。).大多数情况下，非金属原型不能直接作为模具使用，需要以原型为模型，通过工艺改造来制作金属模具。间接制造的特点是将RP技术与传统成形技术相结合，充分利用各自的技术优势，现已成为应用研发的热点。基于SLS的间接制造工艺包括粉末冶金、SLS原型的快速精密铸造、SLS陶瓷型壳铸造、树脂砂快速铸造等。
(1)粉末冶金成形
粉末冶金成形类似于金属粉末堆积成形，但复合粉末材料通常含有低温易熔成分或粘结剂。用低功率激光在较低温度下烧结易熔组分，经过SLS工艺得到三维立体，称为坯体。这种坯体强度低，但形状精确，需要后期处理才能得到高强度的金属或陶瓷零件。后处理通常包括两个步骤:脱粘和烧结。将生坯放入烧结炉中进行脱粘和再烧结，除去易熔的低强度组分，将剩余的金属或陶瓷粉末烧结成金属或陶瓷零件。完成的金属零件通常是棕色的，称为棕色零件。为了降低孔隙率或相对密度，褐色部件也可以渗透金属，例如环氧树脂或铜。
美国DTM公司用激光烧结涂有粘结剂的钢铁粉末，激光束的扫描路径由计算机控制。加热熔化的粘合剂以将金属粉末结合在一起(非冶金结合),从而产生孔隙率约为45%的部件。干燥除湿后，放入高温炉中烧结渗铜，生成表面致密的零件。此时，零件中的材料成分为65%钢和35%铜，经过抛光和其他后处理程序后，
用于SLS的复合粉末通常有两种混合形式:一种是将粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合，另一种是将金属或陶瓷粉末放入粘结剂的稀释剂中，使基体粉末与粘结剂充分接触，制备出涂有粘结剂的金属或陶瓷粉末。实验表明，这种粘结剂包覆粉末的制备虽然复杂，但烧结效果优于机械混合粉末。
(2)SLS消失模精密铸造
SLS原型是由塑料、石蜡、树脂等粉末烧结而成，然后反复涂覆、打磨、干燥，直到在原型上形成所需厚度的模壳。然后加热使模型熔化汽化形成模壳，再进行烘烤。最后将熔融金属倒入型壳中，冷却后即可得到所需的模具铸件。该工艺能控制模具的精度、表面质量、机械性能和使用寿命，并能满足经济要求。用这种方法制造的金属模具零件通常具有良好的可加工性，可以局部加工，可以获得较高的精度，可以镶嵌在镶件、冷却件和流道中，常用于制造塑料模具、压铸模具、注射模具等。
基于SLS的消失模铸造拖拉机变速箱壳金属模具。原型采用SLS工艺制造，然后精密铸造零件。从CAD设计到获得零件只需要15天，而传统工艺至少需要45天，制造成本降低60%。原型采用SLS工艺制造，与传统工艺相比，消失模用模具的制造周期缩短了40%。
(3)SLS陶瓷型壳铸造
用反应性树脂涂覆的陶瓷粉末通过激光烧结。烧结后倒出粉末，然后固化得到铸造用陶瓷型壳。浇注后，可以制造金属模具部件。这种方法省去了传统精密铸造的许多工艺流程，是传统精密铸造的一大变革。在计算机的控制下，激光束按层内扫描线选择性烧结树脂砂和环氧树脂的混合粉末材料，得到一层铸造型壳。之后工作台下降一层厚度，送料台上升一层高度，开始铺设新材料。这样，材料一层一层地铺开，一层一层地烧结，最终得到所需模铸型壳的反型。选择性激光烧结后，铸造型壳内仍有未固化的粉末粘结剂，粘结剂分布不均匀，强度低，需要对铸造型壳进行烘烤硬化。经过烘烤和硬化后，铸造型壳消除了原型中粘结剂的聚集，使原型均匀而坚硬。原型中的水和可蒸发物质挥发，提高了铸造型壳的透气性，减少了铸造时的发气量，从而使型壳具有良好的铸造性能。结合传统的砂型铸造工艺，在铸造型壳外部建立浇注系统，浇注铸型铸件。
它最大的优点是速度快，不需要任何模具，甚至不需要绘图。设计工程师通过计算机网络将数据发送到铸造车间的系统，就可以完成壳体的设计和制造。在CAD环境下，直接将模具零件的图样转换成壳型，然后配备浇注系统。型壳厚度可为5 ~ 10 mm，这种工艺的缺点是零件表面粗糙度高，其关键技术是型壳厚度、型壳表面粗糙度和固化处理工艺。
(4)SLS树脂砂铸造
以铸造树脂砂为SLS烧结材料，根据图纸或要求设计模具零件的三维CAD模型，分析铸造工艺，主要包括设计浇注系统和冒口，确定铸件的凝固收缩余量，根据收缩余量和零件尺寸设计模具的CAD模型。在计算机的控制下，SLS根据截面轮廓的信息在粉末上扫描截面形状，激光的功率要足够大，使轮廓边界处的粉末完全碳化，失去固化效果，逐层扫描，直到零件三维曲面结构的分型面堆积。随着工作台的逐步下降，树脂砂粉末一层一层的铺在工作台上，然后用整平辊将粉末碾压密实，每层粉末的厚度对应CAD模型的切片厚度。每一层被激光扫描加热的粉末被破坏，失去固化效果，未被激光扫描的粉末留在原位支撑，直到整个零件被扫描。工作台整体加热，加热温度根据树脂砂的不同在200 ~ 280℃之间。由于零件表面的树脂砂在激光碳化后失去固化效果，零件表面相当于一个分型面，将零件与周围的废块分离，去除废块，最终得到模具。对模具内腔表面进行适当的抛光或涂层，降低内腔表面粗糙度，然后浇注得到金属零件或模具。
树脂砂铸造比快速熔模铸造有以下优点:(a)良好的溃散性。与熔模铸造相比，树脂砂铸造可以铸造更复杂的零件，SLS主要用于加工数控加工不了的水套气道和砂芯。(b)建模时间短。SLS和数控技术的结合大大加快了砂型制造的速度。熔模铸造需要固定的制壳周期，而快速砂型铸造可以灵活控制铸造时间。(c)可以铸造更大模具部件。数控铣削技术一方面可以提高加工效率，另一方面可以加工更大的砂型，因此可以生产更大的模具零件。