在模具制造业中，制造商一直在寻找通过压缩生产时间和成本来增强生产力的方法。今天，一种混合工艺的出现允许在同一机构中包括添加加工与铣削，以解决这两个难题。

联合加工

在一台机床上可进行激光烧结和铣削，为现代加工手段提供了另外一种加工方式，即添加式加工，也是我们常听到的增材制造。传统机床加工都是由一块钢件开始，加上铣、钻、磨，以得到成品件。但是，混合工艺的一开始，除了一块底板和一桶金属粉外不需要其他任何材料。

它的工作流程是这样的，设备将金属粉注入托盘，然后穿过工作台和底板压平一层金属粉，填充低点以使粉层达到水平，从而在底板上留下光滑、平整的表面。第一层金属粉厚50μm，高出底板0.002in(1in=25.4mm)。一台400W的YB光纤激光器在工作台上按照3D软件程序确定的设计摆动，将金属粉熔化并焊接到底板上。

激光束这时从单一固定点射出。检流计镜系统对准光束，按照预定设计调整激光，加热点至需要击中底板的地方。每层一次烧结0.002in，通过层层叠加制成所需形状。在完成焊接20层后，开始进行铣削加工。这一步骤，是对于激光烧结与铣削混合工艺来说与现有添加制造工艺不同的地方。

因为后10层金属叠加需要时间冷却，所以按次序烧结各层。刀具开始铣削前10层，同时后10层从烧结过程中冷却。这样，铣削过程总是需要在激光烧结过程的一组层数之后，节省了大量的加工时间。

随着部件高度增加，降低工作台，以显现出差异。两组过程一前一后，但始终保持在相同的高度。

设备工作台允许工件底座宽10in×10in，高7in。可以把底板纳入实际工件，或简单地成为工件的基础。例如，当加工一个型芯或型腔时，底板可形成部件带水冷线路预钻孔的底部。

图1 一个还在底板上的数码相机部件已完成激光烧结并铣削的模具

密度控制

这种混合工艺的另一个主要优点是，能使制造商控制材料的烧结密度。典型的固体密度是99.5%，但是，多孔区密度可降低至90%。采用激光烧结工艺，制造商能制作极小的空隙，这加快了烧结过程。对于较大工件，作业员可让外层结构以99.5%密度烧结，内层支持结构以90%密度烧结。这样可创造一个不同于以往的减轻重量的更多孔部件。甚至以90%的密度，工件也足够坚固，而且能使表面没有可见的孔。

除节约时间外，改变烧结区域密度还有许多优点。

一个基础模具都有上半部分和下半部分。当关闭时，模具本身是密闭的。水流入模具以冷却注入其中的高温塑料，而且在充入空气时，水还会流入模具需要脱离的位置。空气经常试图冲过注入的塑料，而这就会产生塑料上的燃烧标记。在一个典型的模具应用中，操作员需要在模具上钻一个通风孔。一旦空气从这一通风孔漏出，孔将被一小片塑料所填充，在部件上留下一个小麻点。激光烧结工艺可在模具上创造多孔通道，其功能如同排气管，允许空气漏出，但不留任何明显的标记。

不仅是这种多孔加工能力确实能制作出通道释放空气，而且也允许大型、弯曲、罗纹面部件能加压成型或气体辅助成型。采用传统加工，由于部件表面收缩，部分光滑、弯曲部件表面将在背面显现螺纹阴影。这可在模具完全冷却前采用氮气对多孔区域加压消除。这挤压着塑料紧贴型腔表面，以消除背面螺纹的收缩。

冷却一致性

控制部件密度的另一个主要优点是采用冷却剂在内部通道建模，而不是开发后期加工的能力。

注塑时，我们理想地希望整个部件以相同的速度冷却。显然，当对型芯或型腔进行减材加工时，制作冷却系统孔的唯一方法是钻，而这有可能钻出弯曲的孔。最终，须在模具的背面或侧边钻孔来计算深度，就会造成孔的相交，因此所有的接入点需塞上紧固螺丝以使液体流向正确。

金属粉烧结工艺能使我们自己设计的从型芯或型腔实际表面的冷却通道具有最佳距离。那时我们便能制造来回循环，用作部件内的空心管，让确实需要被冷却的任何高温点获得冷却水。这种随形冷却更快，从而使成品塑料部件位移、收缩和扭曲更少。

例如，试想一个数码相机外壳模具。外壳壁相当薄，而开口又很大，使其非常易碎。在所需区域进行冷却以防止收缩，并能挑战扭曲变形产生的影响。激光烧结与铣削混合工艺能制作非常扁平的管(与采用钻孔得来的圆形管相比)，以适应这种薄模具。冷却通道不一定必须是圆形的;他们可以是任何有效的形状。在这种情况下，添加式加工工艺不仅更快，而且还提供了更高的灵活性。

图2 烧结工艺只留下一个粗糙的表面(左)，但激光烧结与铣削混合工艺能完成单次组装元件，且其表面质量相当于转筒加工元件(右)

最后加工

激光烧结和铣削混合工艺可以制造理想的模具。可利用四种不同材料：热轧钢材、马氏体时效钢(H13相当于可被热处理成从设备出来后具有52HRC)、630型不锈钢和316L型不锈钢。马氏体时效钢因能进行热处理，所以是制造模具型芯和型腔最流行的原材料。

激光烧结应用于型芯时，很多制造商收到部件，然后送去进行热处理，再带回进行最后加工和铣削，那时将其放在电火花加工设备上以磨光任何螺纹。但当进行热处理设备最后铣削出来的部件时，是如何影响精确性的?激光烧结和铣削混合加工工艺计算热处理过程中1%的收缩系数。这一收缩系数那时被编程输入模具尺寸，数据不断输入设备以完成部件生产，从而使热处理后，部件尺寸正确。

图3 泵送氮气穿过模具芯面的多孔部分，在冷却过程中推动已成型元件至型腔。这确保了没有随着元件冷却和收缩的下陷

加速

在实际模具加工的案例中，如钻外壳部件的模具型芯，与传统铣削相比，这种混合工艺表现出色，可以将生产时间减少65%，将成本降低50%。采用混合工艺，需11天加工出的模具，现在只需点击完成编程，设备就可全天候自动运行。按照惯例，制作相同模具需要25件单独工件，并耗时近40天完成加工，这取决于铜或石墨电极的使用。

传统的减材制造要求则需要编制铣削和电极的程序以进行螺纹和型腔作业。更不必说，传统制作的模具已经增加了成型周期时间。例如，当采用传统工艺进行钻壳时，模具注塑时间为23s，冷却时间为30s。然而，应用随形冷却通道，填充时间保持相同，但冷却时间缩短15s。因此，53s的周期缩短至38s，正好提升30%。

更重要的是，传统加工大致成本为40000美元，而混合工艺成本约为20000美元，分解成不需要电极，仅需一件型芯。所以激光烧结工艺不仅更快，而且还能降低一半成本。

尽管激光烧结与铣削混合工艺相对较新，但是其整体时间缩短、成本节约及正价一致性使其成为一种值得研究的可选择的模具制造工艺。