3D打印技術和真空注型工藝在一體式軟硬雙材質零件制造上的應用

楊才峰　劉鋒　陸奇能　周敏　張殿勇

摘 要：介紹了選擇性激光燒結技術和真空注型工藝制造的過程，比較兩種工藝的優勢和不足，通過在車身加油口蓋底座快速制造中的應用實例表明，在汽車研發階段的樣件制造中，選擇性激光燒結技術和真空注型工藝相結合，可實現低成本，高效的小批量一體式軟硬雙材質零件制造。

關鍵詞：快速成型 真空注型 選擇性激光燒結 硅膠模

1 引言

在汽車研發過程中，汽車零部件設計基本完成之后，需要根據設計數據進行少量的樣件試制，以便對樣件結構和功能進行匹配試裝或試驗驗證。

目前汽車制造業面臨瞬息萬變的市場的嚴峻挑戰，汽車行業的競爭日趨激烈，汽車產品迭代速度加快，縮短產品開發周期和降低新產品開發投資風險，成為企業賴以生存的關鍵。為了達到這個目的，樣件制造必須滿足試制精度高、試制周期短和試制成本低的條件。

基于快速成型和快速模具技術的真空注型工藝在試制行業應用廣泛，可以實現功能樣件的快速制作。

隨著SLS技術在快速制造行業的引入，真空注型快速制造工藝也面臨一些變革。以下介紹選擇性激光燒結技術和真空注型工藝結合在快速制造領域的應用情況，分析選擇性激光燒結技術和真空注型工藝的優缺點，并給出兩種工藝結合應用的實際案例。

2 選擇性激光燒結（SLS）技術概述

選擇性激光燒結（SLS）采用高能激光器作為能源，按照計算機輸出的產品模型的分層輪廓，在選擇區域內掃描熔融工作臺上已均勻鋪層的粉末 材料，處于掃描區內的粉末被激光光束熔融后，形成一層燒結層。逐層燒結后，再去掉多余的粉末即獲得產品原型樣件。理論上任何加熱后能夠形成原子件粘結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。圖1為SLS設備的工作原理圖。

與傳統的車、銑、刨、磨和CNC等機械加工方式不同，選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）技術，不需要復雜的工藝、龐大的機床和眾多的人力。這種制造工藝利用粉末分層堆積增材制造的原理，通過將三維數據切分為若干二維薄層平面后再逐層疊加成型的方法，能夠根據零件的CAD模型直接成形復雜的零部件，不需要任何工裝就能將計算機中的設計構思一步轉化為現實，擺脫了常規方法對于結構復雜零件加工的諸多限制，可以大幅度提高樣件的制造效率，提高產品研發速度[1]。

選擇性激光燒結技術目前在汽車行業與廣泛的應用，特別在樣件制造領域。研發階段的樣件一般為了驗證設計裝配結構或搭載功能試驗，為了發現問題盡快更改設計。若采用傳統的切削加工工藝，工序復雜，生產周期長，而采用激光燒結技術優勢明顯。最重要的是激光燒結技術能夠加工結構復雜、帶負角結構的樣件，如圖2、圖3為SLS工藝制作的樣件是傳統切削加工方法無法實現的。

3 真空注型工藝概述

真空注型工藝是指由快速成型技術得到的原型樣件翻制成硅膠模具，在真空條件下向模具內澆注雙組分的聚氨酯，固化后就可達到所需要的零件。它要求兩個組分有一定的存放穩定性；混合和抽真空過程中反應程度適中，能夠流動充滿整個模腔，注射完成后反應固化成型[3]。

真空注型工藝使用硅膠模具的使用壽命為10～20件，可用于制作不超過600mm的中小型尺寸的零件。

真空注型工藝的模具制造方法是通過把原型樣件固定到圍框中，把硅膠一次澆注到圍框內固化成型完成模腔結構的制作，固化后手工剖切分型，使上下模分別固化成型。其硅膠模具制造流程如圖4[1]：

真空注型工藝樣件制作是在常溫下應用真空注型機，在一定的真空度（約1X10﹣2MPa）和大氣壓力的作用下，加入一定配比的雙組分反應固化聚氨酯材料，雙組分材料在混合反應和注射成型時產生氣泡，真空環境下，便于脫除氣泡。真空注型工藝制作的樣件填充性好，細節特征清晰。真空注型工藝流程如下。

4 兩種工藝中的優缺點

真空注型工藝在常溫下材料注入、反應、固化后成型，材料反應速度的控制影響制作樣件的成型質量。影響材料反應速度的主要因素包括反應溫度、材料混合均勻性、模腔流道尺寸等。

影響硅膠模特性的因素主要有：制模用的硅膠新能、模具的注口與開模結構、模芯與預制件的使用、模具尺寸與模腔體積等，這些因素會 影響到模具的注塑件精度和試用壽命。硅膠?？焖僦颇Ｓ腥缦绿攸c：

● 良好的制模操作性。固化成型后的軟膜具為透明或半透明狀，具有較好的拉伸強度，便于切割分型。

● 良好的復現性。制模用硅膠在固化前具有良好的流動性，配合真空排氣，可以準確保持模型的細節結構。

● 良好的脫模性。對于樣件在出模方向上的負角結構，可依靠材料的彈性變形直接取出樣件。

● 良好的樣件尺寸穩定性

選擇性激光燒結技術目前在快速制造行業有廣泛的應用，尤其在塑料件的快速制造方面。相對于大批量制造的塑料件，用于研發階段試驗搭載的塑料件工作溫度和強度要求不高，對材料的力學性能要求較低，可以充分發揮SLS技術的優勢[2]。

● 選擇性激光燒結技術優點：

● 產品有較高的硬度，可滿足部分零件試驗需求；

● 可采取多種原料；

● 零件的制作時間短；

● 對結構復雜的零件也可一體成型；

● 無需設計和構造支撐；

● 一次性可成型多個樣件；

選擇性激光燒結技術確定：

● 加工前需要預熱原材料到熔點以下；加工完成后需要逐漸冷卻；

● 表面粗糙度受原材料顆粒大小及激光點限制，比較粗糙；

● 后處理時有粉塵產生。

5 選擇性激光燒結（SLS）技術在真空注型工藝中的應用

汽車加油口蓋總成是車身的一種開啟件，它要求與車身側圍、燃油箱、加油口底座、加油口蓋等之間需要有良好的配合關系。作為重要的功能件，必須保證加油口蓋有良好的開閉功能。隨著汽車外部造型結構的不斷變化，加油口蓋和加油口底座的結構也越來越復雜，制作難度也越來越高。目前，如何解決加油口蓋對車身型面及工藝要求較高，且結構相對復雜，成本較高的問題，已成為技術人員需要解決的技術難題。

圖5所示加油口底座。由于配合密封要求，它有硬質塑料骨架合軟質橡膠密封部分組成。在汽車研發過程中，需要小批量制作加油口蓋底座樣件用于試驗樣車裝車試驗。這些試驗用的樣件需求在百件之內。制作方法一般采用先制作母件，再根據母件使用硅膠、環氧樹脂、聚氨酯或低熔點合金材料制作模具。加油口蓋底座由于有兩種材料組成，制作時候需要兩套模具。一套模具先把塑料骨架制作出來，然后把塑料骨架鑲嵌到另一套模具中，然后再向模具中澆注軟質橡膠；從而完成加油口底座的制作。

在本案例中我們采用分體制作的方法對加油口蓋底座樣件的制作進行優化，采用選擇性激光燒結（SLS）技術與真空注型工藝結合的方法制作樣件，取得了良好的效果，節省了1套模具成本，縮短了加油口蓋的制作周期。

5.1 拆分加油口蓋底座塑料骨架用SLS工藝制作

5.2 軟質橡膠用真空注型模具制作

5.3 加油口底座塑料骨架和軟質橡膠密封件通過連接結構匹配連接一起

選擇性激光燒結技術和真空注型工藝相結合制造一體式軟硬雙材質零件：1）減少了生產工序，減少一套模具投入，節約了費用；2）提高生產效率，選擇性激光燒結和真空注型工藝并行生產，效率提升30%以上。

6 結論

SLS技術是快速成型領域很有特色的工藝方法，可以作為真空注型模具制作工藝的有力補充，通過兩種工藝的結合不但能夠快速提高研發試制樣件的制作周期，也能降低樣件生產成本。

雖然SLS技術已經得到了廣泛的應用，但是因為目前其材料的強度比批量材料略差，因此不適合做受力、受熱的功能測試零件。未來隨著成型材料的發展，可以預期SLS技術將會取得更迅速的發展。

參考文獻：

[1]趙建亮，孫京文，歐炳峰等.選擇性激光燒結技術在注射模上的應用[J].模具工業，2015，41（10）：1-4.

[2]周豐松，王偉振.快速成形和快速模具在樣車試制工程中的應用[J].汽車工程，2008（07）：631-634+638.

[3]歐智華.硅膠快速模具真空注型過程CAE分析[D].天津大學，2008.