基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)研究

馮春寶

（福建技師學(xué)院，福建 福州 350101）

金屬材料快速成型技術(shù)是以高功率激光為能量源，采用金屬材料粉末同步送進(jìn)的方式，將待熔金屬粉末直接送入高能束激光產(chǎn)生的熔池中，由機(jī)床或機(jī)器人引導(dǎo)高能束激光逐層按設(shè)定的軌跡行走，層層堆積最終成型出三維立體金屬零部件，完成金屬材料快速成型。激光沉積增材制造可以精確控制能量輸入、光斑直徑、成形方式、掃描路徑和層厚，實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀金屬零件的成型制造[1]。金屬材料快速成型技術(shù)在機(jī)械制造工藝的應(yīng)用中效果最為突出，機(jī)械制造工藝在制造大型復(fù)雜高性能結(jié)構(gòu)時具有高效率、低成本、高質(zhì)量等優(yōu)勢。為將這一前沿科技應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械制造，充分挖掘金屬材料快速成型技術(shù)的優(yōu)勢，形成一整套完備、便捷、高效、可靠的機(jī)械加工制造工藝，開展了相應(yīng)的研究。

1 金屬材料快速成型技術(shù)研究

考慮到使用傳統(tǒng)金屬材料快速成型技術(shù)制造存在加工材料受限、材料利用率低以及制造成本較高等問題，亟待開發(fā)新的金屬材料快速成型技術(shù)。因此，研究機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)具有重要的理論意義和實用價值。本文在基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)研究中，計算金屬材料固體微粒含量的關(guān)鍵百分?jǐn)?shù)，利用金屬材料快速成型動力學(xué)原理，實現(xiàn)基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型。

1.1 確定金屬材料固體微粒含量的關(guān)鍵百分?jǐn)?shù)

復(fù)合金屬材料固體微粒指的是存在于機(jī)械制造電沉積層中的微粒含量，直接影響著機(jī)械制造沉積層的性能。因此，在實際工作中必須標(biāo)出復(fù)合金屬材料固體微粒的含量。本文用以下幾種方法表示，分別為：復(fù)合金屬材料固體微粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和復(fù)合金屬材料固體微粒體積百分?jǐn)?shù)。設(shè)復(fù)合金屬材料固體微粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Sj，則其計算公式為：

公式（1）中，Wj指的是復(fù)合金屬材料固體微粒沉積中的質(zhì)量；v指的是復(fù)合金屬材料固體微粒沉積中的體積。設(shè)復(fù)合金屬材料固體微粒體積百分?jǐn)?shù)為ΔWj，那么ΔWj的計算公式，如公式（2）所示。

公式（2）中，q指的是復(fù)合金屬材料固體微粒密度；y指的是復(fù)合金屬材料固體微粒的性質(zhì)。

復(fù)合金屬材料中，不同材料的參雜比例對材料的物理和化學(xué)性質(zhì)影響較大，尤其是用于快速成型的金屬材料，其熔點、電阻率、流動性以及抗沖擊性能的改變，將直接影響機(jī)械制造成品的性能。Cu、Al、Ni、Sn等常用復(fù)合金屬材料的組成比例是研究的主要方向。用于機(jī)械制造的金屬材料首先需要滿足設(shè)計的強(qiáng)度要求，無論采用何種工藝加工，結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度不能出現(xiàn)下降。這也是金屬材料快速成型面臨的首要難題，滿足激光熔溶條件的低熔點金屬材料在固化成型后普遍出現(xiàn)組織疏散、易斷裂的外在表現(xiàn)。經(jīng)實驗研究，發(fā)現(xiàn)金屬材料的元素組成和加工中激光熔溶點的冷卻方式與效果是影響材料物理特性的關(guān)鍵因素。在金屬材料的元素組成中控制Cu的含量，能夠有效提高金屬材料熔點與抗沖擊強(qiáng)度的關(guān)系。在激光熔溶點空間提高空氣流動速度，加速激光光斑處冷卻效果，同樣可以提高金屬材料的強(qiáng)度特性。

1.2 分析金屬材料快速成型動力學(xué)

分析基于機(jī)械制造工藝的金屬快速成型動力學(xué)原理，可以把金屬材料快速成型分為五個過程，分別為：金屬產(chǎn)品零件設(shè)計、金屬材料切片處理、數(shù)控代碼、金屬材料沉積層加工以及金屬成品后處理?；趧恿W(xué)分析金屬材料快速成型，其本質(zhì)上就是把金屬材料零件導(dǎo)出為原先設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)化格式，通過金屬材料零件切片處理生成快速成型數(shù)控代碼，最后利用金屬材料快速成型技術(shù)一層一層加工成所需的金屬零件。零件設(shè)計是基礎(chǔ)，需要形成電子化的三維立體投影；金屬材料切片處理是加工前準(zhǔn)備，對設(shè)計的電子化模型進(jìn)行合理的分層，以確定加工步驟；數(shù)控代碼是加工的關(guān)鍵，是加工動作執(zhí)行的一個個具體指令；沉積層加工是具體的快速成型加工過程，是零件加工的實現(xiàn)；金屬成品后處理是對零件的精細(xì)修飾。

為了實現(xiàn)對金屬材料快速成型進(jìn)行動力學(xué)分析，可以根據(jù)金屬材料受力情況以及金屬材料的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析。這就需要在金屬材料快速成型機(jī)中獨立開發(fā)一套數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)字控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)字控制系統(tǒng)必須具備對金屬材料受力情況以及金屬材料的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)實時處理與轉(zhuǎn)換、機(jī)床運(yùn)動控制以及人機(jī)交互等功能。通過數(shù)據(jù)可知，基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型機(jī)使用了專用的VierdJectCPS200特殊蠟材料，在提高工作效率的同時，能夠達(dá)到完美理想的“3D打印”效果。也可生產(chǎn)出較傳統(tǒng)金屬材料快速成型機(jī)無法精準(zhǔn)制造出來的精細(xì)模型。由于使用專用的蠟材料，因此脫蠟過程容易，生產(chǎn)出的產(chǎn)品表面光滑，并且不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，無需特殊工作環(huán)境生產(chǎn)加工，對于生產(chǎn)人員的健康更有保障。由于采用3D systercem專利的多噴嘴技術(shù)，可以單次打印一個大尺寸模型，或是同時打印多個小尺寸模型。除此之外，基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型機(jī)可堆疊成型，只要在用戶端預(yù)設(shè)指令，在制作過程中，無需人力操作就可順利完成復(fù)雜的金屬材料快速成型過程。通過分析金屬材料快速成型動力學(xué)得知，基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的金屬材料快速成型技術(shù)通過模具生產(chǎn)最大的不同點在于，機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的金屬零件。分析金屬材料快速成型動力學(xué)，能夠極大地縮短金屬產(chǎn)品的研制周期，進(jìn)而提高金屬產(chǎn)品的生產(chǎn)率以及降低金屬產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

1.3 實現(xiàn)基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型

由于基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型操作簡單，不僅達(dá)到省時、降低生產(chǎn)費用外，使得金屬材料快速成型質(zhì)量與功能性也有了很大的進(jìn)步?；跈C(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型的具體步驟，首先確定復(fù)合金屬材料固體微粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和復(fù)合金屬材料固體微粒體積百分?jǐn)?shù)。將待成型加工金屬材料的截面分別涂刷表面活性劑，涂刷后的截面處于粘合狀態(tài)，利用機(jī)械制造工藝原理，噴涂機(jī)器在金屬材料成型磨具表面按順序移動，噴涂粉末會均勻鋪撒在成型設(shè)備上，依據(jù)計算機(jī)設(shè)計的金屬材料成型加工模型，由打印設(shè)備將第一層粉末涂于零件底層截面上，完成以上步驟后，將成型缸平臺做下調(diào)的調(diào)整，再利用噴涂設(shè)備從粉末缸中平鋪一層粉末到完成第一層涂粉的金屬零件上，根據(jù)第二層截面狀態(tài)對幾層金屬材料截面噴灑粘接劑，加工成型的金屬零件是由多個截面堆疊形成，實現(xiàn)基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型。

由于金屬零件的成型過程是逐點熔溶焊接，這與傳統(tǒng)機(jī)械加工的型材加工方式存在巨大差異，零件微觀上點特征明顯，相鄰點的連接以及層與層之間的連接受金屬材料冷卻時間的影響，體現(xiàn)出不盡相同的特征。這個缺陷對于機(jī)械制造是嚴(yán)重的，必須在制造工藝中加以彌補(bǔ)和改進(jìn)。具體措施有：對復(fù)合金屬材料粉劑的勻質(zhì)度提出要求，保證原材料的性能一致；嚴(yán)格控制輸料管速度，保證各輸料管輸料速度和體積的偏差在可接受范圍內(nèi)；對激光光斑在線檢查，保證激光光斑在設(shè)定值之內(nèi)，也就是保證激光輸出能量的穩(wěn)定；增加檢驗環(huán)節(jié)，對加工前、過程中、成品均需要全面檢驗，尤其是激光器，由于受環(huán)境和供電電壓的影響較大，需要采取在線實時監(jiān)測的方式對各項數(shù)據(jù)加以檢測，以保證成品質(zhì)量滿足設(shè)計要求；提出系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)要求，對生產(chǎn)加工設(shè)備的運(yùn)行狀況、工作參數(shù)、抽樣檢驗情況進(jìn)行高密度的檢測和保養(yǎng)，保證加工設(shè)備在工作時間段內(nèi)始終處于穩(wěn)定、正常、一致的狀態(tài)。

2 仿真實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

本次實驗?zāi)康脑谟谧C明基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)的有效性，將其與傳統(tǒng)的金屬材料快速成型技術(shù)進(jìn)行對比實驗。此次實驗應(yīng)用變流器模擬出表面活性劑的添加量，第一種金屬材料快速成型，用編號001表示，第二種金屬材料快速成型，用編號002表示。以每30ml表面活性劑的添加量為節(jié)點，運(yùn)用兩種技術(shù)對金屬材料快速成型進(jìn)行10次實驗，設(shè)置傳統(tǒng)的金屬材料成型技術(shù)為對照組，驗證金屬材料快速成型技術(shù)的成型速率。

2.2 實驗結(jié)果分析與討論

通過實驗對比兩種技術(shù)的成型速率，為了更直觀的體現(xiàn)出兩種技術(shù)成型速率的差異性。將本次實驗結(jié)果繪制為曲線圖，圖1為兩種技術(shù)的實驗結(jié)果。

圖1 成型速率對比圖

通過圖1可知，金屬材料成型加工中在表面活性劑的逐漸增量添加的情況下，實驗組對金屬材料成型速率最高達(dá)到75m/s，對照組對金屬材料成型速率最高值為28m/s，由此可以證明本文的成型設(shè)備使用精細(xì)加工模型，金屬材料可以快速堆疊成型，基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)的成型速率明顯高于對照組。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)全球一體化下金屬材料快速成型技術(shù)的逐步實現(xiàn)，金屬材料成型的速度問題顯得越來越重要。金屬材料快速成型技術(shù)是針對金屬材料提高生產(chǎn)質(zhì)量的最實用和最可靠的方法。針對基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)的研究可以大幅度提高金屬材料的成型速度，完成傳統(tǒng)的金屬材料快速成型技術(shù)所不能完成的任務(wù)?；跈C(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)是金屬材料快速成型的核心技術(shù)，為金屬材料快速成型提供學(xué)術(shù)意義。綜上所述，有理由加大對基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)的研究投入。