1.一般金屬加工可分為三種類型
第一種就是我們常見的減材加工，車銑刨磨以及激光切割等為代表。
第二種是以鑄造、鍛造、沖壓、擠壓，注塑，折彎等為代表的成型加工。
第三種越來越受關(guān)注的工藝增材制造，以3D打印、涂層、堆焊為代表，增材制造的優(yōu)勢，它能夠生產(chǎn)具有以前傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀金屬部件。
此外，增材制造是一種通過縮短生產(chǎn)交付時(shí)間、來實(shí)現(xiàn)高效小批量生產(chǎn)的合適方法。
增材制造與 CNC 傳統(tǒng)加工技術(shù)的結(jié)合已在各大主流機(jī)床廠家得到應(yīng)用，像DMGMORI MAZAK 松浦等廠家已經(jīng)在市場上銷售這類機(jī)型。復(fù)合加工的概念是實(shí)現(xiàn)金屬增材制造零件實(shí)現(xiàn)精加工交付——實(shí)現(xiàn)形位公差要求和光潔度要求，實(shí)現(xiàn)各類機(jī)械性能的要求。
本文參考MAZAK的一款 INTEGREX i-400 AM 的復(fù)合加工五軸車銑機(jī)床，來作為技術(shù)說明今天參考MAZAK的一款 INTEGREX i-400 AM 的復(fù)合加工五軸車銑機(jī)床，來作為技術(shù)說明。
2.技術(shù)路線
目前，許多公司已經(jīng)推出了采用 SLM 技術(shù)和銑削功能的復(fù)合機(jī)床，作為高性能模具制造的解決方案。在述說之前，先解釋下在實(shí)現(xiàn)增材加工的2種技術(shù)路徑。
Ⅰ.DED Directed Energy Deposition 定向能量沉積 通過噴嘴將金屬粉末或絲材輸送到聚焦的能量束（如激光、電子束等）作用區(qū)域，能量束使粉末或絲材迅速熔化并沉積在基板上，層層堆積形成三維零件。 可實(shí)現(xiàn)較大尺寸零件的制造，對復(fù)雜形狀零件有較好的適應(yīng)性，能在零件局部進(jìn)行修復(fù)和強(qiáng)化。但尺寸精度相對較低，表面質(zhì)量一般。
應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的大型結(jié)構(gòu)件制造、機(jī)械零件的修復(fù)與再制造等。LMD Laser Metal Deposition激光定向能量沉積，屬于DED技術(shù)的一種，利用高能量密度的激光束作為熱源，使金屬粉末在激光作用下快速熔化并凝固，逐層堆積形成金屬零件。具有較高的能量利用率，能實(shí)現(xiàn)高精度、高性能金屬零件的快速制造。
可制造復(fù)雜形狀的零件，組織致密，力學(xué)性能良好。不過設(shè)備成本較高，工藝參數(shù)優(yōu)化要求高。常用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、模具等高性能零部件。DED還有2種技術(shù)分別是DED-ARC電弧定向能量沉積，和DED-EB電子束定向能量沉積。
Ⅱ.PBF Powder Bed Fusion 粉末床熔化 將金屬粉末均勻鋪展在粉末床上，利用高能束（如激光、電子束）按照預(yù)先設(shè)計(jì)的零件截面輪廓對粉末進(jìn)行逐層掃描熔化，熔化的粉末冷卻凝固后形成零件的一層，如此層層疊加直至完成整個(gè)零件的制造。能制造復(fù)雜形狀的零件，尺寸精度高，表面質(zhì)量較好。
可實(shí)現(xiàn)多種材料的組合制造，但成型效率相對較低，設(shè)備價(jià)格昂貴。應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域制造定制化的植入物、珠寶首飾的個(gè)性化設(shè)計(jì)制造等方面應(yīng)用廣泛。
SLM Selective Laser Melting 選擇性激光熔化，屬于PBF技術(shù)的一種，采用高功率密度的激光束，根據(jù)三維模型切片數(shù)據(jù)，有選擇地熔化金屬粉末床中的粉末，直接制造出三維金屬零件。
能實(shí)現(xiàn)極高的幾何精度和復(fù)雜形狀制造，可獲得致密度高、力學(xué)性能良好的零件。但制造過程中熱應(yīng)力較大，可能導(dǎo)致零件變形，且對粉末材料要求高。主要用于航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域的精密零件制造。
當(dāng)然PBF技術(shù)還有另外種 SLS選擇激光燒結(jié)，EBW電子束融化。 目前MAZAK選擇了LMD技術(shù)作為MAZAK復(fù)合加工機(jī)的增材制造方法.
使用激光束在金屬基材上形成熔池并將粉末送入該熔池的過程。粉末熔化形成熔合到基材上的沉積物。所需的幾何形狀是逐層堆積的。
Mazak 特別說明，LMD 技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)勢是能夠組合各種不同的金屬和合金，對材料的使用限制沒有PBF那樣嚴(yán)格和麻煩。利用這一顯著優(yōu)勢的最有效應(yīng)用是材料涂層上面。
如今在石油和能源行業(yè)以及醫(yī)療行業(yè)有許多涂層應(yīng)用要求。該技術(shù)的評估方法已經(jīng)非常成熟。，有許多案列應(yīng)用在長軸和棒材加工上。與 SLM技術(shù)相比，LMD技術(shù)在這些應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。
3. 應(yīng)用實(shí)例
考慮到上述潛在的使用目的，Mazak開發(fā)了一個(gè)應(yīng)用于石油能源行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例。圖片軸的基材材料是316S31（17%鉻12%鎳奧氏體不銹鋼），具有良好的耐腐蝕性，因此成為海上石油管道的常用材料以對抗海水腐蝕。
用于增材加工的金屬粉末是鎳基合金 Inconel 718，具有非常適合高溫、腐蝕、抗氧化和抗蠕變環(huán)境的特性。
上圖是整個(gè)加工工藝步驟，采用LMD和CNC 加工的混合工藝，制造ll 6片螺旋涂層凸臺(tái)、12 個(gè)翅片和一圈法蘭管。6 個(gè)凸臺(tái)是在混合工藝中使用精細(xì)LMD和CNC加工制造的。
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4.LMD 工藝評價(jià)
測試內(nèi)容包括沉積的 Inconel 718 材料和 316S31 基材之間的連接部分的機(jī)械強(qiáng)度測試、硬度測量和微觀結(jié)構(gòu)觀察。
這些試件未經(jīng)過熱處理。 Inconel 718 材料的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果幾乎與未經(jīng)熱處理的熱軋 Inconel 718 相當(dāng)。
在沉積的 Inconel 718 材料和 316S31 基材之間的結(jié)合部分的拉伸強(qiáng)度測試中，斷裂點(diǎn)在基材 316S31 一側(cè)，因?yàn)榛?16S31抗拉強(qiáng)度低于沉積材料Inconel 718。
表明沉積的 Inconel 718 材料與 316S31 基體之間的結(jié)合強(qiáng)度高于 316S31 基體本身的機(jī)械強(qiáng)度。
因此， LMD 有可能從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造流程。
