金屬材料的疊加制造技術(shù)及其在工具制造中的應(yīng)用

宮海軍,王懋露,王 揚(yáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

疊加制造技術(shù)是一種以逐層結(jié)合材料的方式加工零件或原型的先進(jìn)制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的去除加工方法不同,該技術(shù)將離散的材料按需結(jié)合,以達(dá)到材料成形的目的。起初,這項(xiàng)技術(shù)只能制作一些非金屬原型或簡(jiǎn)單模型,所以工業(yè)領(lǐng)域普遍使用“快速成形”來(lái)命名使用該原理的一系列技術(shù)[1]。自20世紀(jì)80年代以來(lái),很多快速成形方法已實(shí)現(xiàn)商品化,相關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子、制造、醫(yī)療和教育等領(lǐng)域。近年來(lái),隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步,金屬零件也實(shí)現(xiàn)了通過(guò)疊加制造的方法來(lái)進(jìn)行加工。所以,“疊加制造”逐漸取代“快速成形”而成為該項(xiàng)技術(shù)的總稱。

工具制造是疊加制造技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要應(yīng)用,超凡生產(chǎn)效率和相對(duì)低廉的生產(chǎn)成本是目前很多企業(yè)采用該技術(shù)加工復(fù)雜形狀工具的主要原因。疊加制造技術(shù)加工工具可分為間接方法和直接方法。間接方法是指使用非金屬材料的零件作為中間環(huán)節(jié)加工工具的工藝過(guò)程[2],而本文主要介紹直接方法制造工具的一些技術(shù),包括選擇性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM),電子束熔融(Electron Beam Melting,EBM),激光工程化凈成形(Laser Engineered Net Shaping,LENSTM),超聲波固結(jié)(Ultrasonic Consolidation,UC),三維打印(Three Dimensional Printing,3DP)。在此基礎(chǔ)上,本文舉例說(shuō)明了這些方法在模具隨形冷卻水道加工、模具成形加工、工具材料改進(jìn)、工具修復(fù)和表面涂覆、電火花電極加工等方面的應(yīng)用,并歸納了疊加制造技術(shù)在工具制造中的優(yōu)勢(shì)。

1 疊加制造技術(shù)的主要方法

1.1 選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)

SLM是一種激光逐層熔化金屬粉末的材料疊加制造技術(shù)。每一層金屬粉末按截面形狀在激光束的熱作用下完全熔化,經(jīng)冷卻凝固,最終與前一凝固層融合[3]。該技術(shù)的工藝過(guò)程與選擇性粉末燒結(jié)(SLS)類似,只是在SLS過(guò)程中,非金屬材料用較低的激光能量便可實(shí)現(xiàn)燒結(jié),無(wú)需給零件添加輔助支撐結(jié)構(gòu)。但在SLM過(guò)程中,金屬粉末的預(yù)熱溫度很低,主要依靠激光的高能量熔化金屬粉末。所以,材料在冷卻過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很大的殘余應(yīng)力和變形[4]。因此,需要使用支撐結(jié)構(gòu)將零件固定在金屬底板上。成形后,進(jìn)行熱處理去除應(yīng)力,并去除支撐結(jié)構(gòu)。圖1是SLM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖1 SLM技術(shù)示意圖[5]

目前,基于SLM技術(shù)推出商品化設(shè)備的公司包括德國(guó)的 EOS GmbH、Concept Laser GmbH、3DMicromac AG 、SLM Solutions GmbH,美國(guó)的 Renishaw Inc及法國(guó)的Phenix Systems。雖然每個(gè)公司的設(shè)備各有特點(diǎn),技術(shù)名稱也略有差別,但疊加制造的基本原理都是類似的。

1.2 電子束熔融(EBM)技術(shù)

EBM是一種采用高能電子束逐層熔化金屬粉末的疊加制造技術(shù)。EBM與SLM的疊加制造過(guò)程大致相同,但整個(gè)過(guò)程在真空環(huán)境下進(jìn)行。金屬粉末首先被電子束預(yù)熱,在整個(gè)熔化和固化過(guò)程中,零件的殘余應(yīng)力和熱變形很小[6-7]。所以,零件無(wú)需支撐或只需少量支撐結(jié)構(gòu)即可進(jìn)行加工。電子束聚焦系統(tǒng)的掃描速度很快,與SLM技術(shù)相比,加工效率更高,但零件的表面質(zhì)量一般。EBM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 EBM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[7]

目前,商品化的EBM系統(tǒng)設(shè)備主要由瑞典Arcam AB公司生產(chǎn)制造,并推出Arcam A1和A2兩種型號(hào)的設(shè)備供用戶選擇。

1.3 激光工程化凈成形(LENSTM)技術(shù)

LENSTM是一種將金屬粉末噴射到高能激光照射基板后形成熔池繼而熔化固化的疊加制造技術(shù),由美國(guó)Sandia National Laboratories最早提出。噴射管道與激光頭通常做一體化設(shè)計(jì),對(duì)稱分布在激光頭的四周,其軸線的交點(diǎn)同時(shí)也是激光束的焦點(diǎn),這樣可保證金屬粉末伴隨著保護(hù)氣體噴射到熔池中[8](圖3)。目前,三軸LENSTM系統(tǒng)主要通過(guò)工作臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)和激光頭的垂直運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),而五軸LENSTM系統(tǒng)則通過(guò)激光頭在3個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)和工作臺(tái)在2個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

圖3 LENST M加工過(guò)程示意圖[9]

美國(guó)Optomec公司于1997年推出了第一臺(tái)商品化的LENS設(shè)備“LENS 750”,之后又相繼推出了更先進(jìn)的“LENS 850(R)”和 “LENS MR-7”。POM是另一家致力于LENSTM加工的美國(guó)公司,其設(shè)備通過(guò)集成多臺(tái)CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的閉環(huán)控制。美國(guó)的AeroMet公司開發(fā)出了應(yīng)用于航天領(lǐng)域大型薄壁零件的LENSTM加工設(shè)備,但該公司于2005年關(guān)閉了設(shè)備的研發(fā)部門。

1.4 超聲波固結(jié)(UC)技術(shù)

UC是一種整合了超聲焊接和數(shù)控輪廓銑削的疊加制造技術(shù)。該技術(shù)使用超聲振動(dòng)頭將一定厚度的金屬薄片焊接到基體上,然后使用銑刀沿截面輪廓將該層面不需要的材料去除,銑削掉的薄片被立刻吹離加工區(qū)域,即加工出疊加過(guò)程中的一層,往復(fù)進(jìn)行即可實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的制造[10]。圖4是UC加工過(guò)程示意圖。

圖4 UC工藝過(guò)程示意圖[11]

美國(guó)Solidica公司于2000年推出了商品化的UC設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)超聲波固結(jié)的金屬薄片,包括鋁、不銹鋼、鈦合金等,薄片厚度約0.1～0.15 mm。此外,金屬絲或碳化硅纖維也可嵌入到薄片之間,加工出金屬基復(fù)合材料;光纖和傳感器也可嵌入到薄片間,實(shí)現(xiàn)零件與信息傳遞系統(tǒng)的一體化。

1.5 三維打印(3DP)技術(shù)

3DP是由麻省理工學(xué)院最早發(fā)明的一種疊加制造技術(shù),它同樣使用離散的粉末作為加工材料,鋪粉機(jī)構(gòu)相似于SLM。但3DP使用噴頭將粘結(jié)劑按照當(dāng)前層截面形狀噴射到粉末表面,將當(dāng)前層與前一層材料粘結(jié)在一起,逐層粘結(jié)至加工結(jié)束。其工藝過(guò)程見圖5。Ex One公司打破了3DP加工僅限于非金屬材料的限制,開發(fā)出了適用于金屬粉末的ProMetal技術(shù)。該技術(shù)使用強(qiáng)力高分子聚合物粘結(jié)劑將金屬粉末粘結(jié)成零件,在低溫熔爐內(nèi)將零件中的粘結(jié)劑燒除,然后放入高溫熔爐內(nèi)燒結(jié),最后放入其他金屬粉末材料中滲透[12]。Ex One的設(shè)備包括Ex One R1和R2,可使用不銹鋼和青銅粉末加工砂模、型芯及各種金屬零件。

圖5 3DP工藝過(guò)程示意圖

2 疊加制造技術(shù)在工具制造中的應(yīng)用

2.1 隨形冷卻水道加工

傳統(tǒng)模具的冷卻水道只能加工成簡(jiǎn)單的直孔,當(dāng)模具型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí),其冷卻效果差。隨形冷卻是指冷卻水道根據(jù)型腔表面輪廓的變化而變化,從而達(dá)到最佳效果的一種冷卻方式,它既能提高生產(chǎn)效率,還能改善產(chǎn)品質(zhì)量[13]。但由于加工技術(shù)的限制,隨形冷卻一直沒(méi)有被真正應(yīng)用于模具制造過(guò)程中。隨著疊加制造技術(shù)的出現(xiàn),隨形冷卻模具的加工也逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

EBM是一種加工隨形冷卻水道的可行方法。Rannar[14]利用該方法,使用Arcam公司的H13工具鋼粉末加工出的型芯見圖6,其內(nèi)部采用了回轉(zhuǎn)形的冷卻水道。通過(guò)與常規(guī)冷卻水道模具加工出的零件比較發(fā)現(xiàn),使用該型芯加工出的零件尺寸精度和冷卻時(shí)間有極大改善。

圖6 EBM加工隨形冷卻水道實(shí)例[14]

SLM也是加工隨形水道的一種有效方法,目前可使用的金屬粉末材料包括馬氏體鋼、不銹鋼、鈷鉻合金鋼和鈦合金等。圖7是意大利INglass公司使用SLM技術(shù)加工出的模具,其內(nèi)部的隨形水道完全按照模具工作表面的輪廓設(shè)計(jì)并加工。復(fù)雜的隨形水道不但減少了模具的整體重量,而且增大了水道的散熱面積,提升了散熱能力。

圖7 SLM加工馬氏體鋼隨形冷卻水道

2.2 模具成形加工

使用傳統(tǒng)方法加工形狀復(fù)雜的模具,成本高且周期長(zhǎng)。但對(duì)于疊加制造技術(shù)來(lái)說(shuō),即使是非常復(fù)雜的模具,也可一次加工完成。SLM技術(shù)最重要的應(yīng)用之一,就是加工具有復(fù)雜形狀的注塑模具[15]。圖8是德國(guó)FIT公司采用SLM技術(shù)生產(chǎn)的注塑模具及其加工的零件。圖9是 Renishaw Inc.的AM125/250設(shè)備加工的金屬模具。

圖8 采用SLM技術(shù)加工注塑模具

圖9 采用SLM技術(shù)加工金屬模具

UC技術(shù)同樣可用于模具的生產(chǎn)加工[16]。圖10是Solidica公司生產(chǎn)的FormationTM型UC設(shè)備加工出的鋁制模具及該模具加工的航空用鉸鏈和刀架。

圖10 采用UC技術(shù)加工的模具及產(chǎn)品[10,17]

圖11是使用ProMetal技術(shù)加工的沖壓模具及其加工出的鋁制航空零件。最終的產(chǎn)品材料中含有約60%的不銹鋼成分和40%的青銅成分[18]。

圖11 ProMetal技術(shù)加工的沖壓模具及零件[18]

2.3 工具材料改進(jìn)

疊加制造技術(shù)可在加工過(guò)程中使用異性或非均質(zhì)材料,即通過(guò)調(diào)配材料的組成比例或利用不同材料之間的各向異性,加工復(fù)合材料或功能梯度材料,這將使工具的制造過(guò)程更靈活,材料的種類更多樣化。

在LENSTM的金屬粉末供給系統(tǒng)中,不同材料的粉末可按預(yù)先設(shè)定好的比例混合在一起,也可使貯存容器中的不同材料按系統(tǒng)指定的比例動(dòng)態(tài)混合。這樣所加工出的材料就具有不同的成分分布,達(dá)到加工功能梯度材料的目的[19-20]。

UC也具備加工該種類材料的能力。已知的研究表明,鋁合金3003可作為基材和一系列的工程常用材料,如:銅、鉻鎳鐵合金、不銹鋼等,通過(guò)超聲固結(jié)在一起[21]。這表明UC是一項(xiàng)加工復(fù)合材料或功能梯度材料的可行技術(shù),具有進(jìn)行工具快速加工的巨大潛力[22]。圖 12是 UC技術(shù)加工鋁合金和MetPreg材料相結(jié)合的微觀結(jié)構(gòu)圖片。

圖12 UC加工鋁合金和MetPreg材料的微觀結(jié)構(gòu)[22]

2.4 工具修復(fù)和表面涂覆

對(duì)于形狀復(fù)雜或使用難加工材料制造的工具,出現(xiàn)破損或受到腐蝕后的修復(fù)變得十分困難,有些工具甚至無(wú)法修復(fù)。而LENSTM可使用金屬粉末進(jìn)行添加修復(fù),所以修復(fù)過(guò)程不受工具表面形狀和材料特性的影響。特別是五軸LENSTM系統(tǒng),在零件工作臺(tái)增加了沿Y和Z兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)軸,這使工具修復(fù)精度更高,過(guò)程更靈活。圖13是LENS修復(fù)凹槽樣件。

圖13 LENS修復(fù)凹槽樣件[23]

表面涂覆是指在工具表面涂覆一層特殊材料,以達(dá)到抗腐蝕、抗氧化、耐磨和隔熱等特性。LENS可將金屬材料甚至半導(dǎo)體粉末材料涂覆在工具表面[24-25]。圖14是鈦合金涂覆在鈷鉻合金表面。

2.5 電火花電極加工

很多疊加制造技術(shù)都被間接用于電火花電極的加工,如光固化立體造型技術(shù)、選擇性粉末燒結(jié)技術(shù)和熔融沉積技術(shù)等。但這些技術(shù)往往都是間接使用非金屬材料首先制造原型,經(jīng)導(dǎo)電化處理后使其具有電極功能的[26]。

圖14 LENS在鈷鉻合金表面涂覆鈦合金[25]

Dimla等使用SLM技術(shù)加工出銅基電極,將其表面電鍍后用于電火花加工,取得了很好的效果[27]。圖15是SLM技術(shù)加工出的電極及電鍍后的產(chǎn)品。

圖15 采用SLM加工的電火花工具電極[27]

3 金屬材料疊加制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

金屬材料疊加制造技術(shù)在工具制造領(lǐng)域的潛在應(yīng)用能力,取決于它在復(fù)雜幾何形狀加工、多種材料復(fù)合加工及成本效率方面的優(yōu)勢(shì)[28]。

3.1 復(fù)雜幾何形狀加工

疊加制造技術(shù)最具代表性的特點(diǎn)之一就是它能制造形狀極為復(fù)雜的工具,工具幾何形狀的復(fù)雜程度幾乎不會(huì)對(duì)工具的生產(chǎn)制造產(chǎn)生任何影響,這是傳統(tǒng)加工方法難以做到的。舉例來(lái)說(shuō),使用傳統(tǒng)方法加工內(nèi)部帶有螺旋線形狀通道的工具是難以進(jìn)行的,但對(duì)基于層疊累積的加工過(guò)程來(lái)說(shuō),加工類似工具只不過(guò)是在每一層的燒結(jié)或熔化過(guò)程中留出一個(gè)圓形未加工區(qū)域,逐層累積并去除未加工材料便會(huì)形成螺旋線形狀的通道。

3.2 多種材料復(fù)合加工

通常來(lái)講,功能決定著工具材料的選擇。然而對(duì)于某些具有特殊功能的工具,單一材料往往不能滿足要求。比如一些要求具有很強(qiáng)的耐磨耐腐蝕特性的工具表面,且工具內(nèi)部又需要一定的延展性。傳統(tǒng)上使用表面熱處理的方法可加工這類工具,但硬化層的厚度和微觀組織結(jié)構(gòu)往往難以控制。而使用疊加制造的方法不但可通過(guò)改變加工參數(shù)的策略使同種材料具有功能梯度的變化,還能復(fù)合多種材料于一體,使工具具有更好的機(jī)械性能。

3.3 成本和效率

傳統(tǒng)工具制造方法多為切削加工,工具從毛坯到最后成形往往需要多道工序,工序間的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸同樣需要花費(fèi)較多時(shí)間。對(duì)于小批量生產(chǎn)的工具,其總加工時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)。但對(duì)于疊加制造技術(shù)來(lái)講,絕大多數(shù)的加工過(guò)程都是在一臺(tái)機(jī)床上一次加工完成的,幾乎沒(méi)有不同工序間的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸。機(jī)床的操作者只需了解一些基本的使用方法和材料使用知識(shí)即可,對(duì)操作技術(shù)的要求較低,這在某種程度上也降低了對(duì)技術(shù)人員的依賴,降低了總成本。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于金屬材料的疊加制造技術(shù)的主要原理、工藝流程及技術(shù)特點(diǎn),并舉例說(shuō)明了這些技術(shù)在模具隨形冷卻水道加工、模具成形加工、工具材料改進(jìn)、工具修復(fù)和表面涂覆、電火花電極加工等方面的應(yīng)用,最后歸納了疊加制造技術(shù)在工具制造中的優(yōu)勢(shì),為使用疊加制造技術(shù)研發(fā)工具新材料和新工藝提供了參考。

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