SLM制作模具零件

■ 耀德讲堂 / 赵育德 讲师

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.080)

前言

在积层制造推行至今，我认为采用SLM(Selective Laser Melting, SLM)制作模具零件无疑是MAM技术最成功的案例，如图1与图2表示。这是金属积层制造迄今最成功的方向，没有其二。这个成果其实是经过不断的验证和失败，幸好跟着计算机科技的进步，包含金属粉末制造的分选改良、设计与分析模具的软件进步、制造模具的方法推陈出新、检验技术更加先进，多种条件技术的组合在一起才有今天这样的成果。

我们都知道，金属积层制造中有七大分类，在前面章节已经说明了最适合于金属零件的加工方法就是SLM，主要在于直接融化金属粉末并使其形成熔池，逐道再逐层的建立出整个产品的形状，并且过程中以计算机辅助监控其尺寸并加以控制，因此SLM只要根据雷射能量功率和光斑尺寸，搭配足够精细的粉末粒径，以及更精确的机构动作，能够控制到达10μm的精确度已经不成问题，这是MAM发展至今一直努力的目标。

图1：SLM成型的原理（上视）──逐道完成产品形貌定义与结构固化（本图片由邱博修改）。资料引用自https://www.researchgate.net/publication/328943270

图2：SLM成型的原理（侧视）──逐层完成产品形貌定义与结构固化（本图片由邱博修改）。资料引用自https://www.researchgate.net/publication/328943270

再者，模具技术的进步已经是大家有目共睹，针对模仁与重要机构，以往是用模具块材以减法加工的方式进行，而减法加工最大的问题在于移除不需要的材料所耗费的时间。此外，在模具材料价格昂贵的现况下，整套模具所移除的部分至少占整块材料50%的重量，会在材料费用上造成许多不必要的浪费。

除了最初使用MAM技术所希望达到的目的──「降低减法加工所浪费的时间」，再加上「材料费用的精简」，这样看来是不是更有竞争力了呢？那么，MAM技术还有其它的优势吗？

加法加工的模具制作要点

注意到加法加工的几个优势，我们人类其实一直使用着，就是快速制作型材，这属于加法加工的范畴，包含常见的型材坯、料带、料卷都算是，最接近产品的就是铸造、射出成型、压铸成型这种近净型加工，在空无一物的模具型腔中加入液化的材料，再等其固化后脱模获得产品的生坯，然后进行后加工，包含尺寸精确定义、表面抛光、热处理与表面装饰等步骤。

「咦！？MAM在打印完成不就可以直接使用，怎么还要进行加工呢？」各位读者不要被那些不专业的新闻报导所误导，加法加工的过程通常会以材料安全(Material safe)或是尺寸安全(Dimension safe)考虑，增加一部分的材料来确保最终重量与尺寸的保障。在过去，铸造件算是一种典型的广义积层制造，我们设计铸件产品必须考虑精加工裕度的保留，在防止材料收缩变型的过程，还要增加某些特征来抵抗变形和补充材料（浇口=射出模具的进胶口、冒口=射出模具的加大排气），然后在定型后脱模再以二次处理清除这些辅助的特征。

谁说MAM产品和模具可以不需要材料安全和尺寸安全的设计？加法加工也和传统金属零件制作的设计理念有雷同之处，包含如下：

• MAM产品或模具都需要进行二次尺寸定义与表面处理，才能达到精确的几何形状与尺寸公差，甚至表面光洁度也包含其中；
• 辅助的特征通常在完成品上是看不到的，但是由金属粉末（多界面和高热阻抗）熔化并凝固成块的过程，大量的热必须有逸散的路径，同时在薄弱或是断面剧烈改变、封闭状薄壳特征时，必须要有额外的支撑以防止产品变形，同时在完工之后取下产品将是比较容易的作法，如图3所表示的一些特征；那么这些概念不就是来自早期的铸造多出产品肉的设计概念？模造品宁可多肉也不要缺肉，MAM当然也是这样的呀！
• 根据图纸的设计需求，保留二次加工的裕量，该裕量也要根据加工设备的性能和特性来下达最终打印的增量，当然必须要考虑额外的夹持和定位的要求。

图3：在金属积层制造打印的牙冠下方像章鱼脚的特征就是额外的支撑

MAM模具加工经常性的问题

在积层制造模具的过程中，金属粉末的化学纯度、表面氧化程度、几何形状与粒径分布经常困扰着加工与设计的人员，另外包含一些水路的设计与排布，我们也在此进行简略的说明：

• 关于金属粉末，在SLM的制作过程中，一定要选择已经经过预合金熔炼过的雾化近球型粉末，主要是我们不可能光靠雷射束熔化金属并且保留充足时间使金属合金成分均质化，打印过程的熔池是一个动态的局部高温区，其冷却随打印速度的设计而快速发生，因此元素粉末混合的合金粉不能使用在此，但采用烧结法的MEX和BJT是可以允许的，因为分段加热──低温定型、高温固化，高温固化是无差别加热整个生坯并保持一定时间使元素之间可以有效的互相扩散达到均质的目的；
• 再则如果是个别的元素粉末，某些金属的蒸气压很低，例如铜、铝、铬、钴等，单独元素在激光束的加热温度下会直接蒸发，甚至留下孔洞；
• SLM工艺非常在意粉末颗粒大小的分布，为什么呢？请见图4与图5，较大颗粒在原有设定的雷射光功率下并不足以被熔化，因此造成飞溅跳出、阻挡上下层熔合，最终导致在抛光表面处理后出现孔洞缺陷。部分设备和厂商在打印过程出现缺料、卡料，有可能是打印用的金属粉末颗粒过于分散，导致粉末产生架桥现象，这可能是过多细粉和畸形粉造成的缺陷；
• 对于有随型水路的模具零件，必须考虑到模具材料的热性能和强度，水路设计已经从以前的圆形管道（减法加工只能是圆柱钻头并且是直通的管道），改变成扁型水路（增加吸热速度并能减少水路所占据的空间），如图6所示，这个设计在电路板的导线也经常出现，等效面积但具有最宽的接触边和较低的空间占有，在笔记本计算机、电动车的锂电池导电片都使用扁和薄的镍片，而不使用圆柱状的铜导线。

图4：SLM的缺陷──大颗粒粉末飞溅的缺陷（本图片由邱博修改）资料引用自https://www.researchgate.net/publication/328943270

图5：大颗粒粉末对SLM的表层缺陷影响（本图片由邱博修改）。资料来源 https://www.researchgate.net/publication/328943270

图6：圆柱状水路与扁平状的水路差异与应用场景

James的提醒

积层制造的设备和供应商不能让昂贵的设备没有开启预警报或是任意关闭警报功能。打印前，要能提前告知粉末存量是否充足；出现问题时，要能由设备发出通知给管理人员，否则就失去了24小时在线工作的意义。

小结

MAM的出现给传统金属模具制造业者带来强而有力的震撼，但不是负面，而是正面的力量。有了MAM工艺便可以创造出以前难以想象的随型水路或油路，增加精确控制模具温度冷却与温度的差异分布。若以后我们听到一套模具需要用到超过5台的模温控制器，也就不用大惊小怪了，毕竟以前没有办法用。而MAM技术除了改变水路的位置和分布外，也可以挽救模造零件的表面缺陷。记得，不要认为不可能，因为「不可能」中有「可能」这两个字在后(2/3=66.666%)，这是恩师邱博经常告诫我的话，也送给咱们读者吧！

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