M. Kügelgen
【德】MK-Technology 公司

金天拾
上海美唐科技公司

从快速成形到快速制造

快速成形（Rapid Prototyping）技术出现于上世纪80 年代，它是基于叠加制造（Additive Manufacturing）原理，根据零件三维模型数据直接将材料叠加堆砌在一起而形成实体的技术。初期主要用于塑料概念模型的制作，随着各种不同快速成形技术的出现和材料的发展，它很快被用于制造原型件和模具，开始在产品整个生命周期的各阶段获得了应用。预计到2020 年，各种基于快速成形的快速制造（Rapid Manufacturing）技术，特别是金属零件的快速制造将会有很大发展，如图1 所示。目前世界上投入应用的快速成形和快速制造工艺有10 余种。大部分基于叠层制造（LayerManufacturing） 技术，也就是将零件三维数据转换为二维切片，成型设备在计算机控制下依次制作出一定厚度的薄截面， 层层叠加后得到实体零件。例如：立体印刷(SLA–Stereo-Lithography Apparatus)、选择性激光烧结(SLS–Selective Laser Sintering)、丝材熔覆成型(FDM–FusedDeposition Modeling)、三维打印（TDP-3D Printing）、直接金属激光烧结（DMLS-Direct Metal Laser Sintering）， 直接金属熔覆成形（DMD–DirectMetal Deposition），电子束金属熔化成型（EBM-Electronic Beam Melting）等。

快速制造的另一种概念是快速制模技术和传统技术结合起来用于零件的快速批量生产。如德国MK-Technology 公司的快速制壳系统，能快速制作精密铸造的陶壳，从而实现熔模铸造的快速化，使生产周期大幅度缩短。

图1 从快速成形到快速制造

快速成形和快速制造在一定程度上颠覆了传统生产模式。快速成形可快速响应市场，进行新产品开发、试制和试产，大大提高了新产品开发效率，缩短了研制时间和费用。快速制造技术可以根据最终用户需求实现按需生产，目前不仅已经被广泛应用于模具等工业领域，还进入了医学康复工程，如人工关节、植入牙、助听器等个性定制已不再是梦想。

直接金属激光烧结

德国EOS 公司的EOSINT M 280 型SLS 快速成型机是典型的直接金属激光烧结设备，可以由CAD 文件直接制造具有复杂表面形状、深槽和共形冷却道的注射模模芯或最终金属零件，实现了真正意义上的快速制造。它与一般SLS 快速成形机的不同之点在于激光器和光学系统的设计。在熔融状态下直接烧结金属粉末的温度需要在900 ºC 以上，激光器必须有更大的功率和密度。EOSINT M280 激光烧结机采用200 W 或400 W 的Yb 光纤激光器和F-θ 透镜，聚焦后的光斑直径为100 ～500 μm，使激光束的功率密度比烧结塑料粉末提高将近30 倍。M280 配备有激光功率监控和气体管理系统，使烧结过程在保护氮气或氩气下进行，以达到高质量和稳定的零件构建过程，其外观如图2 所示。

图2 M280 型直接金属激光烧结机

高性能和高质量的激光烧结系统使得M280 可用于各种金属材料的烧结，从轻金属到不锈钢，从模具钢到高温合金。例如，不含有有机成分以钢粉为主的铜、镍粉混合物，由于钢粉的颗粒度很细，烧结时最小叠层厚度仅为20 μm，因此制成的零件精度很高，一般仅需进行简单的微粒喷丸处理，无需抛光，可在短时间内提供形状复杂的注射模。这种方法制造的零件如采用抛光处理，可以达到近似镜面的表面质量，满足高质量的模具的要求。此外，还可根据特殊需要，制造中间有共形冷却道的注射模，从而大大改善导热性能，缩短加工循环时间，延长模具寿命。

直接金属熔覆成形

美国POM 公司研发的直接金属熔覆快速制造技术的用途非常广泛。例如，模具的生产和具有共形冷却道热管理模具的制造，现有模具的改制、硬化处理或磨损修复，制作复合材料构成的梯度金属层模具，航空发动机汽轮机叶片的修复，高载荷零件的陶瓷金属（CERMET）涂层的涂覆，超硬金属（单晶、和钛合金）的焊接等。换句话说，直接金属熔覆是一种将最合适的材料送到最需要的地方去固化成型的技术。

图3 具有共形冷却道的模芯

DMD 505 直接金属熔覆成型机将CAD、CAM、智能传感器、工业激光器、数控技术、粉末金相学加以集成，实现了近净成形的熔覆过程。该设备采用5kW 的CO2 激光器作为能源，激光束尺寸可控。激光头可完成3个轴的移动和2 个轴的偏转运动，工作台还可单独作360˚ 回转。

由于该系统是按照五轴联动数控加工原理进行工作的，特别适合用于复杂零件表面的加工和维修。采用DMD 505 直接金属熔覆成型机可以制造出几何形状和内部结构极其复杂的轻结构零件。与激光烧结成型机的区别在于：粉末不是存放在粉箱中，而是通过管道送到漏斗式的供粉器中，金属粉末随着激光束一起，在熔融状态下从喷嘴射出并且按照轨迹堆砌成最终零件，是真正的叠加制造。因此，贵重的金属粉末的需要量大为减少，且零件的尺寸不受粉箱大小的限制，节省了加工费用。正在进行模具的表面熔覆硬化处理的实况如图4 所示。

图4 模具的表面熔覆硬化处理

快速精密铸造

熔模铸造是最古老的铸造工艺之一。现代批量工业生产中大多采用陶瓷壳精密铸造，其关键工序是陶瓷模壳的制作。目前精密铸造中典型的硅溶胶工艺的缺点是干燥过于费时，每层壳型的干燥时间平均为7 ～24 h，通常需要5 ～7 天才能够完成整个陶壳制作，其中95% 的时间用于干燥，成为精密铸造工艺中的瓶颈。

图5 Cyclone 全自动快速制壳机

德国MK-Technology 公司开发Cyclone 陶瓷模壳制作机，其外观如图5 所示。它可用于制作复杂模壳，所需时间仅约4.5 ～7 小时，使模壳制作周期缩短20 ～30 倍。而且所制作的模壳强度要比传统方法提高近50%。可直接用于脱蜡、烧结和浇铸。最重要的一点，该技术和传统的水基硅溶胶制壳工艺所使用的蜡料、浆料和砂料等制壳材料完全兼容，易于掌握。

Cyclone 快速制壳的过程如图6 所示。从图中可见，首先将蜡模树装夹在机械手上（步骤1、2）；起动机器（步骤3），机械手将蜡模树垂直下降浸入陶瓷浆桶（步骤4）；挂浆后取出并控浆（步骤5、6）；然后根据需要可送入淋砂箱，箱中不同颗粒度的砂料从不同角度喷撒出来，同时机械手在不同方向转动，保证砂粒均匀地粘结在挂浆后的蜡模树上，形成一层

初步的模壳（步骤7）；下一步是机械手将模壳移出并转过180˚，送入红外烘干箱干燥，烘干箱里有若干传感器和风扇，控制气流、温度和湿度，使干燥环境恒定，以保证所制作模壳的质量和机械强度（步骤8）；重复步骤5 ～8 若干次；最后从机械手上取下制作完毕的陶瓷模壳。

Cyclone 的创新点在于研发制造了一种全新的干燥环境，关键是特殊的空气涡流（旋风）和热辐射。其原理是，红外的辐射热加速了SiO2 胶体间离子的交换，强化了硅胶溶剂中SiO2 胶体的连接而提高了最终陶瓷壳型的强度。表面的高度干燥，导致了更高的扩散梯度，从而加速了干燥进程。

德国DonCast 精铸公司的实际证明，该技术可大幅提高模壳质量，其单晶叶片的成品率从原85% 提高至93%。目前，该技术已在国内航空工业应用和推广。