激光快速制造技术应用新领域

激光快速制造技术改进了压铸模时要求严格的温度区域内的冷却状况。各个型芯的冷却水道设置的都非常接近工件轮廓。而实现这一点的前提条件是：一种适合于铝合金压铸件大批量生产的耐热钢材的研发成功。这种最新研发成功的耐热钢材可以一层层的熔化、焊接起来。利用这种材料制造的模具型芯和型腔已成功的通过了大批量试生产的检验。

激光快速制造技术弥补了激光烧结工艺中的不足。现代激光技术的应用，采用了专门研发的、申请了专利保护的激光照射方案，使用了标准钢材粉末为原料的技术，获得了巨大的成功，可制造出无收缩的、几乎是百分之百密实的零部件。现在，在使用正品原材料的情况下可以制作大型的零件，如强力冷却的模具型芯。所用材料的特性与大批量生产时所用的钢材相同，使制造出来的零件满足了大批量生产的条件。铝合金铸造厂采用这种工艺技术为汽车生产厂制造铝合金材料的压铸模具。

图1  带靠近工件轮廓冷却水道的模具型芯。由于实现了最佳的冷
却，因此使四缸曲轴箱压铸过程的生产能力和质量都得到了提高

激光快速制造技术是一种“常规的”生产制造工艺，它使得所有可以焊接的金属材料，如不锈钢、耐热钢和调质钢，按照一层层焊接的方式制作出一个工件，借助于激光帮助使单介质的金属粉末熔化后焊接在一起的方法。在这一层层的焊接过程中，每一层金属粉末都会完全熔化；金属粉末的涂覆厚度在20~50μm之间。这种加工制造原理开启了激光制造与传统模具制造之间的大门。因此，这种技术目前主要用于压铸模具生产制造领域中。而迈出的第一步是铝合金铸造厂与压铸模具生产厂之间在四缸发动机曲轴箱压铸模具中的合作。

具有冷却功能的型芯

制造铝合金压铸模具型芯以使用可逐层焊接的耐热钢材料为前提。Concept Laser公司研发的这种材料通过了质量认证。他们的研发成果是一种被称之为CL 60 DG的金属材料，具有与1.2709号耐热钢材相同的机械性能，主要适合于生产制造可冷却的模具型芯。这种钢材的特点在于拥有很好的韧性，抗拉强度可达1800N/mm2，淬火硬度可达HRC 54。采用激光快速制造工艺技术后，可在型芯温度敏感部位制造出靠近工件轮廓表面的冷却水道。从而缩短了模具的冷却时间，明显延长了模具的使用寿命。由两家合作伙伴进行的在大批量生产条件下的试生产结果表明：这种试制的冷却型芯能明显的提高产品质量。

在一系列的试验中，进行了在实际负载条件下的浇铸实体测试，并将试验结果按照工件结构进行了详细的信息反馈。在成功的完成试验之后，人们开始利用冷却型芯压铸模具的发动机机体在大批量生产条件下的试生产（图2）。所用的冷却型芯是在Concept Laser公司的M3 Linear激光设备上逐层制造的。这种逐层制造完全是自动进行的，激光快速制造设备工作时原则上是不需要操作人员的。在完成冷却型芯的制造之后，只需人工清理一下型芯，安装到模具中即可。

图2  靠近模具型芯轮廓表面的冷却通道。它是采用激光快速制造技术制成的

这个试验的目的在于检验冷却型芯的使用寿命和热裂纹倾向（图3）。迄今为止进行的试验结果都十分令人满意。放置在压铸模具浇道口附近的冷却型芯在完成了10万件以上的浇铸后仍然保持着很好的状态。而传统的型芯在完成这么多铸件的浇铸后，会出现明显的过烧裂纹。

(a)

(b)
图3  安装时的试验型芯（a），浇铸使用71282次后的型芯（b）。
经多次使用后，与模具浇道范围内的浇道孔相反的型芯没有可见裂纹

在完成104个样件的浇铸后，试验的冷却型芯具有与普通型芯完全相同的性能，没有出现裂纹、不光洁和不平整的现象。在完成1905次浇铸后，情况仍然如此。在这个阶段中，主要采用的是砂型铸造工艺。在完成55964次浇铸后，冷却型芯仍然处于很好的状况。与压铸模具中安放型芯的孔腔相比，冷却型芯一直没有出现过烧裂纹。在完成71282件铸件的浇铸后，冷却型芯加工后的状态仍然没有非常大的变化，只是孔腔的裂纹发展的更大了。

在成功的完成试生产之后，就开始进行大批量试生产。试验的目的是验证大批量生产时冷却型芯的状况。在这一试验计划中，铝合金铸造厂的模具生产车间在一种四缸发动机曲轴箱爆震传感器处使用了这种靠近工件轮廓表面的冷却型芯。这就确定了在压铸模具的什么位置上使用激光快速制造技术制成的冷却型芯。具体的位置是在铸件推杆的爆震传感器安装的位置上（图4）。应在很短的时间内完成冷却型芯的更换工作，以保证大批量压铸生产的浇铸过程不发生中断。在更换冷却型芯时，压铸模具一直保留在压铸机床上。为了保证试验具有实际指导意义，使用的试验都是在大批量生产的条件下进行的。

图4  四缸曲轴箱爆震传感器范围内使用的靠近工件轮廓
的冷却型芯。它可以在不取下铸造模具的情况下进行更换

均匀的温度分布

试验首先要解决的问题是浇铸数量与冷却型芯状态和使用寿命之间的关系，冷却型芯有油冷和水冷的差异，以及油冷和水冷时机体爆震传感器处的浇铸质量。大量的试验结果表明：激光快速制造技术制作的靠近工件轮廓表面的冷却型芯具有很多优点。

由于减少了分模剂的喷涂时间，整个压铸生产循环也相应缩短了，因为模具型芯与铸件的温度差△T较小。较小的温度差也减小了冷却型芯的热负荷。在采用了这样的温度控制措施之后，也大大的减少了过烧裂纹发生的危险性。另外，由于节省了分模剂的使用也使得模具更加清洁，减少了排污和清洁的费用。试验证明：激光快速制造技术制作的冷却型芯与普通型芯之间的温度差很大（图5）。热图像照片表明：仅靠喷涂分模剂进行冷却还不足以充分冷却压铸模具。

图5  带有靠近轮廓冷却系统的模具推杆温度分布图。冷
却型芯（点P5）在冲洗前（a图）和后（b图）的温度比较：
P5点的温度下降了16.46K，其他点处的温度下降了181.97K

按照铝合金压铸生产厂的计划是单独对冷却型芯进行的温度监控，并在压铸模推杆的与工作循环无关的过程中实施监控。冷却型芯的安装的位置省略了O型密封圈，避免了出现泄露的潜在可能。靠近轮廓表面冷却型芯的优点是，冷却通道可以自由的按照工件轮廓形状制造。对冷却通道的生产加工技术没有任何的限制。从而可以利用激光快速制造技术最合理的处理冷却通道与铸件顶出器之间的关系。而通常情况下，一般的加工设备只能加工直冷却孔。

制造模具的冷却对铸件的质量起着决定性的影响。而激光快速制造技术制作的靠近工件轮廓表面的冷却通道使得模具的温度变化很小，因此对提高铸件质量非常有利。它减少了模具的磨损；压铸模具的使用寿命明显提高；加速了对温度高达700℃液体铝合金的冷却，从而也减少了铸件缩松和缩孔的产生。

应用新领域

在汽车生产制造业中激光快速制造技术是一种批量生产制造技术。它是汽车模具制造中产品样试到批试之间的连接过渡的接口。对于模具生产制造厂来讲，其质量和经济性方面的优点非常明显：

（1） 采用靠近工件轮廓表面的冷却型芯之后，压铸模具的生产效率明显提高。

（2） 优化的冷却效应大大降低了铸件的变形。

（3） 减少了铸件的缩松和缩孔，明显提高了压铸件的质量和功能。

（4） 可以预加工制造轮廓形状复杂的模具型芯。

（5） 采用激光快速制造技术制造模具型芯的时间更短，自动化程度更高。

（6） 激光快速制造工艺技术的编程耗费降到了最低，柔性化大大提高。

（7） 具有专利技术的混合制造方法可以制作大型的模具型芯。从而也扩大了激光快速制造工艺技术在模具、工具制造领域中的应用。

图6  四缸发动机曲轴箱大批量生产所用的耐热钢压铸模具，爆
震传感器处的型芯。型芯的外型尺寸为110mm×80mm×100mm

多年共同合作的项目终于进入了压铸模具大批量生产的实用阶段。未来，汽车生产厂可以在其模具制造领域中广泛的采用这一技术，同时也可以在其他生产领域中借鉴使用。新设计制造的模具将带有冷却性能更好的型芯。而在制作这些型芯时，使用的是激光快速制造工艺技术（图6）。