金屬材料的疊加制造技術及在模具制造中的應用

謝祖華

摘要：金屬材料的制造和加工，是現代工業制造領域的重要內容，尤其是以金屬材料為材質的工模具制作，成為現代工業產業的核心基礎。本文以金屬材料的疊加制造技術以及在工模具制造中的應用為研究內容，針對金屬材料的疊加工藝進行多角度、多層次、多維度的分析和論述，結合筆者多年從事金屬材料制造技術的經驗，提出行之有效的應用內容和發展建議，僅供參考。

Abstract： The manufacturing and processing of metal materials is an important content in the field of modern industrial manufacturing， especially the manufacturing of tools and moulds made of metal materials， which has become the core foundation of modern industry. In this paper， the superposition manufacturing technology of metal materials and its application in die manufacturing are studied. The Superposition Technology of metal materials is analyzed and discussed from multiple angles， levels and dimensions. Combined with the author's experience in metal material manufacturing technology for many years， the effective application content and development suggestions are put forward for reference only.

關鍵詞：疊加制造;金屬材料;工模具

Key words： superposition manufacturing;metal materials;tools and dies

中圖分類號：TG66? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0115-02

0? 引言

疊加制造技術，是將金屬材料以逐層疊加的形式來制造零件，從而達到零件圖紙要求的先進制造技術。近年來，金屬材料的疊加制造工藝受到行業的關注和推崇。一方面，疊加制造技術實現了傳統“快速成形”只能制造非金屬材料零件的局限，金屬材料的零件也可借助疊加制造技術來制造;另一方面，疊加制造技術還能夠實現生產效率與生產質量有效提升，進一步降低零件的制造成本。

1? 金屬材料疊加制造技術的優勢

1.1 復雜幾何形狀的加工

金屬材料具備良好的延展性，能夠滿足制造業各領域的需要。同時，借助疊加制造技術，可以實現對應圖形和圖案的制造，能夠滿足多種工模具的制造要求，并且不會對金屬造成其他的影響。例如，傳統工藝生產內部為螺旋線形狀型腔的零部件，大多存在一定的困難，而應用疊加制造技術，可以利用疊加的形式，實現產品的生產，同時還能夠對未加工區域進行保留，能夠實現逐層模式的生產和制造。眾所周知，對于復雜幾何形狀的工件在各領域都有廣泛的應用，疊加制造技術解決了制造中的難點，提升產品的適用性和實用價值。

1.2 多種材料的復合加工

現代工業產業的發展，對于金屬材料的復合加工能力提出了更高的要求。有些工模具或者機械零件，既要求表面有很高的耐磨性，同時又受到沖擊載荷的作用，要求有較好的韌性。這樣的工件，以前是采用低碳鋼進行化學熱處理的方法來解決。如果采用疊加制造的方法，則可制造出具有功能梯度的材料來滿足以上工況的要求，而且比傳統方法能更好控制功能梯度各層的厚度，大大提高零件的性能。在工具制造領域，對應的要求更加苛刻，需要將多種特性的金屬材料復合于一體，借助于疊加制造技術也能達到此目的。

1.3 成本和效率的精準控制

無論是現代工業領域還是傳統機械加工領域，生產成本與生產效率都是最為重要的因素。成本決定了疊加制造技術是否可以進行大規模的實踐和應用，效率決定疊加制造技術是否能夠適應當前市場化的發展模式，能夠為制造企業提供巨大的經濟價值以及發展潛力。成本和效率的精準控制，是疊加制造技術持續發展和應用的重要原因，也是促進該技術持續升級和改進的主要因素。因此，對于相關產業的從業人員，需要不斷提升疊加制造技術的生產效率，降低制造技術的投入成本，從而形成良性的生態閉環。

2? 疊加制造技術的主要方式

2.1 選擇性激光熔化技術

選擇性激光熔化技術，是利用激光作為能量源將金屬粉末逐層熔化進行疊加的制造技術。每一層金屬粉末按照計算機設定的截面形狀，在激光的熱作用下實現金屬熔化，冷卻后與前一凝固層形成冶金結合，最終獲得模型所設計的金屬零件。選擇性激光熔化技術與選擇性粉末燒結技術的工藝過程相類似，但是選擇性粉末燒結技術只需把作為粘結劑的低熔點粉末熔化而高熔點粉末無需熔化，所以所需的溫度較低。而選擇性激光熔化技術務必要在激光的作用使金屬粉末完全熔化，熔化溫度高，金屬材料在冷卻時會形成較大的殘余應力和變形，需要進行后續熱處理以消除殘余應力。

2.2 電子束熔融技術

電子束熔融技術，是近年來一種新興的疊加制造技術。它利用高能電子束逐層熔化金屬粉末來實現產品的疊加制造。電子束熔融技術與選擇性激光熔化技術的原理大致相同，但是前者需要在真空環境中進行加工。電子束熔融技術具有直接加工復雜幾何形狀的能力，如空腔、網格結構等;具有在窄光束上達到高功率的能力，成型效率較高，可顯著縮短制造周期;成型環境溫度高（700℃以上），零件殘余應力小等特點。廣泛應用于航空飛行器及發動機多聯葉片、機匣、散熱器、支座、吊耳等零件的制造。

2.3 激光工程化凈成形技術

激光工程化凈成形技術，又稱激光近形制造技術或激光近凈成形技術。其工作原理是用高功率聚焦激光束在金屬基體上熔化一個局部區域，同時用噴嘴將金屬粉末噴射到熔融焊池里，粉末熔化繼而固化的疊加制造技術。完成一層金屬的成形后，噴嘴抬升一個分層厚度，繼續沉積新一層金屬。如此層層疊加，最后制成金屬零件。激光工程化凈成形系統由計算機、高功率激光器、鋪粉器和工作臺等四部分組成。激光工程化凈成形技術將選擇性激光燒結技術和激光熔覆技術相結合，既保持了選擇性激光燒結技術成形零件的優點，又克服了其成形零件密度低、性能差的缺點。

激光工程化凈成形技術常用于制造注射模、大型金屬零件和大尺寸薄壁形狀結構件，用于修復模具，也可用于加工活潑金屬，如鈦、鎳、鉭、鎢、錸及其它特殊金屬。

2.4 超聲波固結技術

超聲波固結技術，是將超聲焊接技術與數控輪廓銑削進行結合的疊加制造技術。該技術通過借助超聲波將金屬薄片逐層焊接，焊上一層后，即用數控加工方法加工出所需輪廓，以此反復，即可制造出三維實體物件。

美國Solidica公司在2000年便推出了超聲波固結技術的商品化設備，能夠將金屬鋁、不銹鋼、鈦合金等金屬進行焊接，金屬薄片厚度可以0.1-0.15毫米，具有一定的先進性，受到行業各個企業的推崇。同時，該技術還能夠將金屬絲或者碳化硅纖維鑲嵌到金屬薄片之間，制造出金屬基復合材料。另外，部分研究人員實現了將光纖與傳感器鑲嵌到薄片之間，實現了零件與信息傳遞系統的一體化。

2.5 3D打印技術

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，由計算機將零件的3D模型分成一定厚度的切片，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的疊加技術。3D技術主要有熔融沉積成型、選擇性激光燒結成型、液體樹脂光固化成型等三種。

3D打印技術有許多優點，如不需要機械加工或使用模具，就能直接從計算機圖形數據中打印制造出任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本;由于直接打印出產品，無需進行加工，因此大幅減少了材料浪費;能夠打印出傳統加工無法生產的結構復雜的零件等。

目前，3D打印已用于日常生活用品、醫學、機械零件及航空零件的打印等，隨著3D打印技術的深入研究和進一步發展，將來必將得到更為廣泛的應用。

3? 疊加制造技術在工模具制造領域的應用

3.1 模具隨形冷卻水道加工

傳統模具的冷卻水道，大多是以簡單直孔形式進行冷卻水的循環。因此，當模具型腔結構相對復雜時，對應的冷卻效果相對較差，而應用疊加制造技術，可以實現隨形冷卻水道的有效制造，冷卻水道能夠根據型腔表面輪廓的變化而變化，達到很好的冷卻效果。一方面，隨形冷卻水道加工能夠實現冷卻水冷卻效應的提升，另一方面，能夠借助疊加制造生產技術，實現產品質量的提升。受當前金屬構件生產加工技術的限制，隨形冷卻水道加工未能實現廣泛的應用和普及。隨著疊加技術應用和發展，隨性冷卻模具的加工將成為行業的發展趨勢[1]。

現代工藝領域普遍認為電子束熔融技術是改造冷卻水道的重要方法，能夠在水道內部實現回轉形的設定。根據該技術生產的水道與傳統水道進行對比，發現前者的加工零部件具有高精準的尺度與冷卻成效，滿足當前工業領域的實際需求。

3.2 模具成形加工

疊加制造技術，克服傳統生產工藝生產周期較長的缺點，同時能夠實現復雜模具的快速制造。基于一次性的加工模式，選擇性激光融合技術，是較為常見的應用技術，能夠實現多種復雜形狀模具的快速制造，同時能夠滿足批量生產的要求和標準。超聲固結技術，也是模具快速成形的重要核心技術，使用該技術加工出的模具被廣泛應用到航天工業領域中。模具被譽為工藝之母，是現代工業發展的重要核心技術，借助疊加生產制造技術，能夠實現金屬模具制造生產領域的突破和創新，提升模具制造的價值和意義，符合當前行業的發展趨勢，具有極為重要的科研價值。吉列、比亞迪等汽車制造企業，已經開展模具成形加工制造的升級和優化，提升企業的核心競爭力。

3.3 工具材料改進

應用疊加制造技術，可使異性或非均質材料用于制造工具稱為可能。也就是說，利用疊加制造技術，通過配置各種材料的組成比例或者利用不同材料之間的性能差異，制造復合材料或功能梯度材料并用于工具制造，使工具制造材料的種類更加多樣化。使用激光工程化凈成形技術和超聲波固結技術可生產出用于工具制造的功能梯度材料。如可使用超聲波固結技術，以鋁合金為基材，把不銹鋼、銅、鉻鎳合金等材料結合在一起，制造出復合材料或功能梯度材料。對工具材料的改進和升級，提升了工具的適應性和使用壽命，拓展了工具的加工范圍。使有些以前使用傳統工具不能加工的工件加工成為可能，具有十分重要的現實意義。

3.4 工具修復

利用疊加制造技術對工具修復進行修復，主要是針對部分結構復雜的工具或用難以加工的材料制造的工具，因為這些工具磨損后修復十分困難，有些甚至無法修復而報廢。利用疊加制造技術可實現金屬粉末的添加修復而不是傳統的磨削修復，因此對于形狀結構復雜或高硬度難以加工的工具均可修復。

因此，借助多種疊加制造技術，能夠在條件受限的情況下實現傳統工具的快速有效修復。不少工具由于長時間的使用，導致工具表面涂層出現脫落，影響了工具的使用，借助疊加制造技術，能夠對工具的表面進行二次修復，恢復工具的使用特性[3]。

4? 結論

綜上所述，通過對疊加制造技術的具體內容的分析和論述，結合對應的應用領域進行分析和探索。金屬材料的使用，借助疊加制造技術，能夠實現更高的應用價值和發展潛力，符合時代的發展需求以及行業的發展方向，作為工業制造領域的基礎，金屬材料的應用和發展具有廣闊的前景。

參考文獻：

[1]李世爭，楊曉冬，解為然.微束電弧選區熔化金屬增材制造方法[J].電加工與模具，2020（03）：59-63.

[2]白龍，陳建軍，梁國祥.柴油機關鍵運動件制造疊加應力對表面完整性的影響研究[J].世界制造技術與裝備市場，2020（02）：55-58.

[3]吉桂明，田甜，解麗靜.使用疊加制造技術3D打印渦輪葉片[J].熱能動力工程，2019，34（04）：14.