3D打印技术和真空注型工艺在一体式软硬双材质零件制造上的应用

杨才峰　刘锋　陆奇能　周敏　张殿勇

摘 要：介绍了选择性激光烧结技术和真空注型工艺制造的过程，比较两种工艺的优势和不足，通过在车身加油口盖底座快速制造中的应用实例表明，在汽车研发阶段的样件制造中，选择性激光烧结技术和真空注型工艺相结合，可实现低成本，高效的小批量一体式软硬双材质零件制造。

关键词：快速成型 真空注型 选择性激光烧结 硅胶模

1 引言

在汽车研发过程中，汽车零部件设计基本完成之后，需要根据设计数据进行少量的样件试制，以便对样件结构和功能进行匹配试装或试验验证。

目前汽车制造业面临瞬息万变的市场的严峻挑战，汽车行业的竞争日趋激烈，汽车产品迭代速度加快，缩短产品开发周期和降低新产品开发投资风险，成为企业赖以生存的关键。为了达到这个目的，样件制造必须满足试制精度高、试制周期短和试制成本低的条件。

基于快速成型和快速模具技术的真空注型工艺在试制行业应用广泛，可以实现功能样件的快速制作。

随着SLS技术在快速制造行业的引入，真空注型快速制造工艺也面临一些变革。以下介绍选择性激光烧结技术和真空注型工艺结合在快速制造领域的应用情况，分析选择性激光烧结技术和真空注型工艺的优缺点，并给出两种工艺结合应用的实际案例。

2 选择性激光烧结（SLS）技术概述

选择性激光烧结（SLS）采用高能激光器作为能源，按照计算机输出的产品模型的分层轮廓，在选择区域内扫描熔融工作台上已均匀铺层的粉末 材料，处于扫描区内的粉末被激光光束熔融后，形成一层烧结层。逐层烧结后，再去掉多余的粉末即获得产品原型样件。理论上任何加热后能够形成原子件粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。图1为SLS设备的工作原理图。

与传统的车、铣、刨、磨和CNC等机械加工方式不同，选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术，不需要复杂的工艺、庞大的机床和众多的人力。这种制造工艺利用粉末分层堆积增材制造的原理，通过将三维数据切分为若干二维薄层平面后再逐层叠加成型的方法，能够根据零件的CAD模型直接成形复杂的零部件，不需要任何工装就能将计算机中的设计构思一步转化为现实，摆脱了常规方法对于结构复杂零件加工的诸多限制，可以大幅度提高样件的制造效率，提高产品研发速度[1]。

选择性激光烧结技术目前在汽车行业与广泛的应用，特别在样件制造领域。研发阶段的样件一般为了验证设计装配结构或搭载功能试验，为了发现问题尽快更改设计。若采用传统的切削加工工艺，工序复杂，生产周期长，而采用激光烧结技术优势明显。最重要的是激光烧结技术能够加工结构复杂、带负角结构的样件，如图2、图3为SLS工艺制作的样件是传统切削加工方法无法实现的。

3 真空注型工艺概述

真空注型工艺是指由快速成型技术得到的原型样件翻制成硅胶模具，在真空条件下向模具内浇注双组分的聚氨酯，固化后就可达到所需要的零件。它要求两个组分有一定的存放稳定性；混合和抽真空过程中反应程度适中，能够流动充满整个模腔，注射完成后反应固化成型[3]。

真空注型工艺使用硅胶模具的使用寿命为10～20件，可用于制作不超过600mm的中小型尺寸的零件。

真空注型工艺的模具制造方法是通过把原型样件固定到围框中，把硅胶一次浇注到围框内固化成型完成模腔结构的制作，固化后手工剖切分型，使上下模分别固化成型。其硅胶模具制造流程如图4[1]：

真空注型工艺样件制作是在常温下应用真空注型机，在一定的真空度（约1X10﹣2MPa）和大气压力的作用下，加入一定配比的双组分反应固化聚氨酯材料，双组分材料在混合反应和注射成型时产生气泡，真空环境下，便于脱除气泡。真空注型工艺制作的样件填充性好，细节特征清晰。真空注型工艺流程如下。

4 两种工艺中的优缺点

真空注型工艺在常温下材料注入、反应、固化后成型，材料反应速度的控制影响制作样件的成型质量。影响材料反应速度的主要因素包括反应温度、材料混合均匀性、模腔流道尺寸等。

影响硅胶模特性的因素主要有：制模用的硅胶新能、模具的注口与开模结构、模芯与预制件的使用、模具尺寸与模腔体积等，这些因素会 影响到模具的注塑件精度和试用寿命。硅胶模快速制模有如下特点：

● 良好的制模操作性。固化成型后的软膜具为透明或半透明状，具有较好的拉伸强度，便于切割分型。

● 良好的复现性。制模用硅胶在固化前具有良好的流动性，配合真空排气，可以准确保持模型的细节结构。

● 良好的脱模性。对于样件在出模方向上的负角结构，可依靠材料的弹性变形直接取出样件。

● 良好的样件尺寸稳定性

选择性激光烧结技术目前在快速制造行业有广泛的应用，尤其在塑料件的快速制造方面。相对于大批量制造的塑料件，用于研发阶段试验搭载的塑料件工作温度和强度要求不高，对材料的力学性能要求较低，可以充分发挥SLS技术的优势[2]。

● 选择性激光烧结技术优点：

● 产品有较高的硬度，可满足部分零件试验需求；

● 可采取多种原料；

● 零件的制作时间短；

● 对结构复杂的零件也可一体成型；

● 无需设计和构造支撑；

● 一次性可成型多个样件；

选择性激光烧结技术确定：

● 加工前需要预热原材料到熔点以下；加工完成后需要逐渐冷却；

● 表面粗糙度受原材料颗粒大小及激光点限制，比较粗糙；

● 后处理时有粉尘产生。

5 选择性激光烧结（SLS）技术在真空注型工艺中的应用

汽车加油口盖总成是车身的一种开启件，它要求与车身侧围、燃油箱、加油口底座、加油口盖等之间需要有良好的配合关系。作为重要的功能件，必须保证加油口盖有良好的开闭功能。随着汽车外部造型结构的不断变化，加油口盖和加油口底座的结构也越来越复杂，制作难度也越来越高。目前，如何解决加油口盖对车身型面及工艺要求较高，且结构相对复杂，成本较高的问题，已成为技术人员需要解决的技术难题。

图5所示加油口底座。由于配合密封要求，它有硬质塑料骨架合软质橡胶密封部分组成。在汽车研发过程中，需要小批量制作加油口盖底座样件用于试验样车装车试验。这些试验用的样件需求在百件之内。制作方法一般采用先制作母件，再根据母件使用硅胶、环氧树脂、聚氨酯或低熔点合金材料制作模具。加油口盖底座由于有两种材料组成，制作时候需要两套模具。一套模具先把塑料骨架制作出来，然后把塑料骨架镶嵌到另一套模具中，然后再向模具中浇注软质橡胶；从而完成加油口底座的制作。

在本案例中我们采用分体制作的方法对加油口盖底座样件的制作进行优化，采用选择性激光烧结（SLS）技术与真空注型工艺结合的方法制作样件，取得了良好的效果，节省了1套模具成本，缩短了加油口盖的制作周期。

5.1 拆分加油口盖底座塑料骨架用SLS工艺制作

5.2 软质橡胶用真空注型模具制作

5.3 加油口底座塑料骨架和软质橡胶密封件通过连接结构匹配连接一起

选择性激光烧结技术和真空注型工艺相结合制造一体式软硬双材质零件：1）减少了生产工序，减少一套模具投入，节约了费用；2）提高生产效率，选择性激光烧结和真空注型工艺并行生产，效率提升30%以上。

6 结论

SLS技术是快速成型领域很有特色的工藝方法，可以作为真空注型模具制作工艺的有力补充，通过两种工艺的结合不但能够快速提高研发试制样件的制作周期，也能降低样件生产成本。

虽然SLS技术已经得到了广泛的应用，但是因为目前其材料的强度比批量材料略差，因此不适合做受力、受热的功能测试零件。未来随着成型材料的发展，可以预期SLS技术将会取得更迅速的发展。

参考文献：

[1]赵建亮，孙京文，欧炳峰等.选择性激光烧结技术在注射模上的应用[J].模具工业，2015，41（10）：1-4.

[2]周丰松，王伟振.快速成形和快速模具在样车试制工程中的应用[J].汽车工程，2008（07）：631-634+638.

[3]欧智华.硅胶快速模具真空注型过程CAE分析[D].天津大学，2008.