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1、 金属材料的叠加制造技术及在模具制造中的应用 摘要：近年来，金属材料的叠加制造工艺受到行业的关注和推崇。一方面，叠加制造技术实现了传统“快速成形”只能制造非金属材料零件的局限，金属材料的零件也可借助叠加制造技术来制造；另一方面，叠加制造技术还能够实现生产效率与生产质量有效提升，进一步降低零件的制造成本。关键词：叠加制造；金属材料；工模具引言叠加制造技术是一种以逐层结合材料的方式加工零件或原型的先进制造技术。与传统的去除加工方法不同,该技术将离散的材料按需结合,以达到材料成形的目的。起初,这项技术只能制作一些非金属原型或简单模型,所以工业领域普遍使用“快速成形”来命名使用该原理的一系列技术。自2
2、0世纪80年代以来,很多快速成形方法已实现商品化,相关技术已广泛应用于航空航天、机械、电子、制造、医疗和教育等领域。近年来,随着研究的深入和技术的进步,金属零件也实现了通过叠加制造的方法来进行加工。所以,“叠加制造”逐渐取代“快速成形”而成为该项技术的总称。1金属材料叠加制造技术的优势1.1多种材料的复合加工现代工业产业的发展，对于金属材料的复合加工能力提出了更高的要求。有些工模具或者机械零件，既要求表面有很高的耐磨性，同时又受到冲击载荷的作用，要求有较好的韧性。这样的工件，以前是采用低碳钢进行化学热处理的方法来解决。如果采用叠加制造的方法，则可制造出具有功能梯度的材料来满足以上工况的要求，而
3、且比传统方法能更好控制功能梯度各层的厚度，大大提高零件的性能。在工具制造领域，对应的要求更加苛刻，需要将多种特性的金属材料复合于一体，借助于叠加制造技术也能达到此目的。1.2复杂几何形状的加工金属材料具备良好的延展性，能够满足制造业各领域的需要。同时，借助叠加制造技术，可以实现对应图形和图案的制造，能够满足多种工模具的制造要求，并且不会对金属造成其他的影响。例如，传统工艺生产内部为螺旋线形状型腔的零部件，大多存在一定的困难，而应用叠加制造技术，可以利用叠加的形式，实现产品的生产，同时还能够对未加工区域进行保留，能够实现逐层模式的生产和制造。众所周知，对于复杂几何形状的工件在各领域都有广泛的应用
4、，叠加制造技术解决了制造中的难点，提升产品的适用性和实用价值。2叠加制造技术的主要方法2.1激光工程化净成形(LENSTM)技术LENSTM是一种将金属粉末喷射到高能激光照射基板后形成熔池继而熔化固化的叠加制造技术,由美国SandiaNationalLaboratories最早提出。喷射管道与激光头通常做一体化设计,对称分布在激光头的四周,其轴线的交点同时也是激光束的焦点,这样可保证金属粉末伴随着保护气体喷射到熔池中。目前,三轴LENSTM系统主要通过工作台的水平运动和激光头的垂直运动实现,而五轴LENSTM系统则通过激光头在3个方向的直线运动和工作台在2个方向的旋转运动实现。2.2电子束熔融
5、技术电子束熔融技术，是近年来一种新兴的叠加制造技术。它利用高能电子束逐层熔化金属粉末来实现产品的叠加制造。电子束熔融技术与选择性激光熔化技术的原理大致相同，但是前者需要在真空环境中进行加工。电子束熔融技术具有直接加工复杂几何形状的能力，如空腔、网格结构等；具有在窄光束上达到高功率的能力，成型效率较高，可显著缩短制造周期；成型环境温度高（700以上），零件残余应力小等特点。广泛应用于航空飞行器及发动机多联叶片、机匣、散热器、支座、吊耳等零件的制造。2.3选择性激光熔化(SLM)技术SLM是一种激光逐层熔化金属粉末的材料叠加制造技术。每一层金属粉末按截面形状在激光束的热作用下完全熔化,经冷却凝固,
6、最终与前一凝固层融合。该技术的工艺过程与选择性粉末烧结(SLS)类似,只是在SLS过程中,非金属材料用较低的激光能量便可实现烧结,无需给零件添加辅助支撑结构。但在SLM过程中,金属粉末的预热温度很低,主要依靠激光的高能量熔化金属粉末。所以,材料在冷却过程中会出现很大的残余应力和变形。因此,需要使用支撑结构将零件固定在金属底板上。成形后,进行热处理去除应力,并去除支撑结构。目前,基于SLM技术推出商品化设备的公司包括德国的EOSGmbH、ConceptLaserGmbH、3DMicromacAG、SLMSolutionsGmbH,美国的RenishawInc及法国的PhenixSystems。虽
7、然每个公司的设备各有特点,技术名称也略有差别,但叠加制造的基本原理都是类似的。3叠加制造技术在工模具制造领域的应用3.1模具随形冷却水道加工传统模具的冷却水道，大多是以简单直孔形式进行冷却水的循环。因此，当模具型腔结构相对复杂时，对应的冷却效果相对较差，而应用叠加制造技术，可以实现随形冷却水道的有效制造，冷却水道能够根据型腔表面轮廓的变化而变化，达到很好的冷却效果。一方面，随形冷却水道加工能够实现冷却水冷却效应的提升，另一方面，能够借助叠加制造生产技术，实现产品质量的提升。受当前金属构件生产加工技术的限制，随形冷却水道加工未能实现广泛的应用和普及。随着叠加技术应用和发展，随性冷却模具的加工将成
8、为行业的发展趋势。现代工艺领域普遍认为电子束熔融技术是改造冷却水道的重要方法，能够在水道内部实现回转形的设定。根据该技术生产的水道与传统水道进行对比，发现前者的加工零部件具有高精准的尺度与冷却成效，满足当前工业领域的实际需求。3.2模具成形加工叠加制造技术，克服传统生产工艺生产周期较长的缺点，同时能够实现复杂模具的快速制造。基于一次性的加工模式，选择性激光融合技术，是较为常见的应用技术，能够实现多种复杂形状模具的快速制造，同时能够满足批量生产的要求和标准。超声固结技术，也是模具快速成形的重要核心技术，使用该技术加工出的模具被广泛应用到航天工业领域中。模具被誉为工艺之母，是现代工业发展的重要核心
9、技术，借助叠加生产制造技术，能够实现金属模具制造生产领域的突破和创新，提升模具制造的价值和意义，符合当前行业的发展趋势，具有极为重要的科研价值。3.3模具型芯的3D打印时至今日，3D打印已经逐渐发展出10多种工艺方法，如喷粒法、激光烧结法、光固法以及熔融沉积法等，文章将主要介绍熔融沉积法（FDM）。熔融沉积亦被称为熔丝沉积，是通过熔化处理过程，并以喷头将材料喷出。在该过程中，喷头可以沿着X、Y平面方向随意移动，依据分层界面的形状向底板上沉积，逐层加工直到加工出需要的零件。该种方法最主要的优点体现在成型材料成本投入较低，且没有异味，零件机械性能良好、强度高。缺点在于成型精度相对较低，不适合用在精
10、细、复杂结构的制作中。结语综上所述，通过对叠加制造技术的具体内容的分析和论述，结合对应的应用领域进行分析和探索。金属材料的使用，借助叠加制造技术，能够实现更高的应用价值和发展潜力，符合时代的发展需求以及行业的发展方向，作为工业制造领域的基础，金属材料的应用和发展具有广阔的前景。参考文献1白龙，陈建军，梁国祥.柴油机关键运动件制造叠加应力对表面完整性的影响研究J.世界制造技术与装备市场，2020（02）：55-58.2吉桂明，田甜，解丽静.使用叠加制造技术3D打印涡轮叶片J.热能动力工程，2019，34（04）：14.3模具制造中数控加工技术的应用研究J.周淑娟.南方农机.2020(24) -全文完-
