金属材料的叠加制造技术及在模具制造中的应用

谢祖华

摘要：金属材料的制造和加工，是现代工业制造领域的重要内容，尤其是以金属材料为材质的工模具制作，成为现代工业产业的核心基础。本文以金属材料的叠加制造技术以及在工模具制造中的应用为研究内容，针对金属材料的叠加工艺进行多角度、多层次、多维度的分析和论述，结合笔者多年从事金属材料制造技术的经验，提出行之有效的应用内容和发展建议，仅供参考。

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.

關键词：叠加制造;金属材料;工模具

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

中图分类号：TG66                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0115-02

0  引言

叠加制造技术，是将金属材料以逐层叠加的形式来制造零件，从而达到零件图纸要求的先进制造技术。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。

1  金属材料叠加制造技术的优势

1.1 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，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。

1.2 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。

1.3 成本和效率的精准控制

无论是现代工业领域还是传统机械加工领域，生产成本与生产效率都是最为重要的因素。成本决定了叠加制造技术是否可以进行大规模的实践和应用，效率决定叠加制造技术是否能够适应当前市场化的发展模式，能够为制造企业提供巨大的经济价值以及发展潜力。成本和效率的精准控制，是叠加制造技术持续发展和应用的重要原因，也是促进该技术持续升级和改进的主要因素。因此，对于相关产业的从业人员，需要不断提升叠加制造技术的生产效率，降低制造技术的投入成本，从而形成良性的生态闭环。

2  叠加制造技术的主要方式

2.1 选择性激光熔化技术

选择性激光熔化技术，是利用激光作为能量源将金属粉末逐层熔化进行叠加的制造技术。每一层金属粉末按照计算机设定的截面形状，在激光的热作用下实现金属熔化，冷却后与前一凝固层形成冶金结合，最终获得模型所设计的金属零件。选择性激光熔化技术与选择性粉末烧结技术的工艺过程相类似，但是选择性粉末烧结技术只需把作为粘结剂的低熔点粉末熔化而高熔点粉末无需熔化，所以所需的温度较低。而选择性激光熔化技术务必要在激光的作用使金属粉末完全熔化，熔化温度高，金属材料在冷却时会形成较大的残余应力和变形，需要进行后续热处理以消除残余应力。

2.2 电子束熔融技术

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 激光工程化净成形技术

激光工程化净成形技术，又称激光近形制造技术或激光近净成形技术。其工作原理是用高功率聚焦激光束在金属基体上熔化一个局部区域，同时用喷嘴将金属粉末喷射到熔融焊池里，粉末熔化继而固化的叠加制造技术。完成一层金属的成形后，喷嘴抬升一个分层厚度，继续沉积新一层金属。如此层层叠加，最后制成金属零件。激光工程化净成形系统由计算机、高功率激光器、铺粉器和工作台等四部分组成。激光工程化净成形技术将选择性激光烧结技术和激光熔覆技术相结合，既保持了选择性激光烧结技术成形零件的优点，又克服了其成形零件密度低、性能差的缺点。

激光工程化净成形技术常用于制造注射模、大型金属零件和大尺寸薄壁形状结构件，用于修复模具，也可用于加工活泼金属，如钛、镍、钽、钨、铼及其它特殊金属。

2.4 超声波固结技术

超声波固结技术，是将超声焊接技术与数控轮廓铣削进行结合的叠加制造技术。该技术通过借助超声波将金属薄片逐层焊接，焊上一层后，即用数控加工方法加工出所需轮廓，以此反复，即可制造出三维实体物件。

美国Solidica公司在2000年便推出了超声波固结技术的商品化设备，能够将金属铝、不锈钢、钛合金等金属进行焊接，金属薄片厚度可以0.1-0.15毫米，具有一定的先进性，受到行业各个企业的推崇。同时，该技术还能够将金属丝或者碳化硅纤维镶嵌到金属薄片之间，制造出金属基复合材料。另外，部分研究人员实现了将光纤与传感器镶嵌到薄片之间，实现了零件与信息传递系统的一体化。

2.5 3D打印技术

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，由计算机将零件的3D模型分成一定厚度的切片，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的叠加技术。3D技术主要有熔融沉积成型、选择性激光烧结成型、液体树脂光固化成型等三种。

3D打印技术有许多优点，如不需要机械加工或使用模具，就能直接从计算机图形数据中打印制造出任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本;由于直接打印出产品，无需进行加工，因此大幅减少了材料浪费;能够打印出传统加工无法生产的结构复杂的零件等。

目前，3D打印已用于日常生活用品、医学、机械零件及航空零件的打印等，随着3D打印技术的深入研究和进一步发展，将来必将得到更为广泛的应用。

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为行业的发展趋势[1]。

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。根據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。吉列、比亚迪等汽车制造企业，已经开展模具成形加工制造的升级和优化，提升企业的核心竞争力。

3.3 工具材料改进

应用叠加制造技术，可使异性或非均质材料用于制造工具称为可能。也就是说，利用叠加制造技术，通过配置各种材料的组成比例或者利用不同材料之间的性能差异，制造复合材料或功能梯度材料并用于工具制造，使工具制造材料的种类更加多样化。使用激光工程化净成形技术和超声波固结技术可生产出用于工具制造的功能梯度材料。如可使用超声波固结技术，以铝合金为基材，把不锈钢、铜、铬镍合金等材料结合在一起，制造出复合材料或功能梯度材料。对工具材料的改进和升级，提升了工具的适应性和使用寿命，拓展了工具的加工范围。使有些以前使用传统工具不能加工的工件加工成为可能，具有十分重要的现实意义。

3.4 工具修复

利用叠加制造技术对工具修复进行修复，主要是针对部分结构复杂的工具或用难以加工的材料制造的工具，因为这些工具磨损后修复十分困难，有些甚至无法修复而报废。利用叠加制造技术可实现金属粉末的添加修复而不是传统的磨削修复，因此对于形状结构复杂或高硬度难以加工的工具均可修复。

因此，借助多种叠加制造技术，能够在条件受限的情况下实现传统工具的快速有效修复。不少工具由于长时间的使用，导致工具表面涂层出现脱落，影响了工具的使用，借助叠加制造技术，能够对工具的表面进行二次修复，恢复工具的使用特性[3]。

4  结论

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]李世争，杨晓冬，解为然.微束电弧选区熔化金属增材制造方法[J].电加工与模具，2020（03）：59-63.

[2]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.

[3]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.