旧模具的新生

　　当一个模制、锻制、压铸或冲压的零件改变设计时，用于制造这些零件的模具也需要改变。直至最近，在对一个模具进行重大改变中涉及的困难和花费，经常使得制造一个新的比修改旧的，还更具有成本效益。但如果通过使用结合激光和粉末金属的过程，便能改变这种状况。

　　这个过程，或称之为激光粉末熔接、激光粉末淀积、直接金属淀积或粉末金属淀积，是用一种高能激光，在基底表面，例如一个模具的表面，产生一个小的熔化池，同时一个汇聚的细磨金属颗粒流注入熔化池，以增加材料的体积。金属颗粒熔融并与基底金属接合，形成固有层。通过这样一层一层的叠加，将一个旧的模具填充成一个新的、能够接近最终所需形状，并能加工到满足公差要求的新模具。

　　在这过程中，有很多种粉末材料可供使用，包括钛、不锈钢、工具钢、金属碳化物、Iconel和其它稀有合金。因为材料很快冷却，并且凝结成微细粒度的微观结构，因而它们比锻制材料强度更高，不失延展性。淀积的材料能匹配基底金属，逐渐或急剧过渡到不同的材料，形成真正的冶金接合。施加粉末的量和形式，可以通过软件控制喷嘴进给系统来连续调节。

　　由于激光产生的热特别局限，所以模具的变形不成问题。这过程使模具的重新装备更有成本效益，并给模具设计师提供新的机遇。该过程的另一个特点是它可以容易地给模具加上以前不可能有的特性，例如：传统的方法是冷却道在制造以后，在工具上钻孔，而且限于直线通道。而这种新的过程，模具上可以加上复杂的冷却道，符合零件的形状，加快冷却，减少了生产循环时间。

　　如今比以前能更有效地把导热材料加到模具上。如果一个铜阳模装入一个钢模具中，由于两种材料的热膨胀系数相差很大，在模制过程中，模具的热循环，使两种材料之间急剧传热，会产生很大的应力。如使用这过程，从一种材料逐渐传到另一种材料，减少了零件在材料界面损坏的可能性。

　　这过程也能用来涂敷涂层和进行表面修整，免去传统涂层和电镀技术所固有的多孔性，而且涂层厚度或材料成分没有限制。关于这过程的研究，始于二十世纪八十年代。在八十年代末期，General Electric专利的一种型式，已经被美国南卡罗来纳州的Huffman Corporation公司使用，用于制造和修理燃气轮机零件的系统。这些Huffman 系统被General Electric、Pratt &Whitney、Rolls-Royce North America、Honey-well International和许多其它零件制造厂和修理厂使用。Huffman也开发了许多系统，用于医疗植入管和工具插入物。

　　自从二十世纪九十年代，在政府基金的支持下，许多学术研究所和研究实验室都巳对这过程作进一步的开发。通过技术转让，至少有两个公司已经基于这些研究开发出了商品化的系统。

　　美国新墨西哥州阿尔伯克基(Albuquerque)的Optomec， 在Sandia国家实验室完成的研究的基础上，创造了它的激光设计净形(LENS)系统。激光设计净形(LENS)系统的首个商业版在1998年发货。最近两年，美国军方在阿拉斯加州安尼斯顿(Anniston, Ala.) 的安尼斯顿军需库巳经使用了一个Optomec系统，用于修理Abrams M1坦克的汽轮机零件。Optomec主要重点是航天航空工业，但也供应其它应用系统。

　　第二家公司——美国密歇根州的POM公司已经商品化一种版本的技术是密歇根大学开发的直接金属淀积。POM的主要重点是工艺装备行业，他们的过程开发小组为用户提供先进的工艺装备、工艺装备重建和工艺装备重新组态，而他们的机器设计和制造组为特殊用户应用和行业需要，设计、制造和安装直接金属淀积系统。

　　POM已经完成的工作的一个实例涉及到模具，该模具用于美国通用汽车的制造，即在近期型号的汽车保险杠上增加卤素灯。POM能用它的直接金属淀积法，在老的保险杠模具上淀积新的材料，然后，将它加工成新形状，这样节省了通用公司制造一套新模具的成本。

　　另一家公司——美国Fraunhofer公司也与密歇根州立大学合作，在用户工厂进行新产品、工艺和应用开发，包括设计和生产与试验系统的集成。Fraunhofer主要是工艺过程研究和开发实验室，也进行生产。迄今，他们已经发运了用于表面硬化的系统，但不是用于模具修理。

　　虽然这些公司的研究都是基于同一基本原理，但是，在此基础上，每家公司都已各自开发并继续开发自己的专利元件和技术。每个系统的核心是一个激光器。

　　“现在使用的有4种不同的激光器，”Optomec的激光设计净形系统(LENS)产品经理Richard Grylls说。”CO2和nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)是较老的技术，直接二极管和光纤维激光器较新。直接二极管激光器需要进一步设计，把它们集成到激光设计净形(LENS)系统，而光纤维激光器不需维修，容易使用，消耗品也不需像CO2激光器那样，效率至少是老激光器的2倍。

　　“使用马萨诸塞州Oxford的IPG的光纤维激光器。我们的效率提高了25%以上，这对于激光器来说是很高的。它们与材料有很好的偶合性，激光质量特别高。这就使我们很容易把他们的激光器用于我们的光学和其它元件中。”

　　Huffman已经使用CO2和nd:YAG两种激光器，在它的最新系统中将使用IPG光纤维激光器。Fraunhofer在它的最新系统中也使用IPG激光器，而POM使用德国激光器制造厂TRUMPF Group 的CO2激光器。

　　用于焊接的激光器功率范围在100瓦到400瓦之间，而最近用于粉末熔接的激光器功率范围为1千瓦到5千瓦，功率大10～12倍，通常是一个系统中最贵的元件。

　　激光粉末熔接系统中的另一个重要元件是控制激光器工具路径的软件。工具路径通常通过切片分层CAD设计来决定，然后编程激光器，一层一层堆上材料。但是，许多应用需要更复杂的软件。

　　“我们修理的涡轮叶片无论何处都不再接近它们原CAD档案的形状，”Hulfman公司总裁Roger Hayes说。”因此，我们对每个叶片都要作逆向工程。我们的视频系统扫描叶片，与CAD原形作比较，然后，基于特定叶片的净差，开发激光器的独特路径。软件大约需要1秒来计算工具路径，然后我们能开始焊接。我们开发视频和逆向工程系统花了很长时间，但这是需要的，因为我们总是涉及很复杂的形状。”

　　有兴趣使用这种新技术的公司有3个选择：雇用上述4家公司之一，以服务的形式展开该工作；自这些公司买一个系统，内部做这项工作；或开发他们自己的专利系统。而开发一个专利的系统并不是件容易的事情。

　　“准确了解怎样操作这个过程，比只有一台机器更重要，”Hayes说。“我们能把一台机器给某个单位，他们用10年，但可能仍不能正确使用。”

　　当一个系统调好时，它能高质量工作，每天工作24小时，每周工作7天，但调整要花些时间。Anniston军方的军需库，提取它的第2台Optomec系统时，即使它当时已经有了两年多使用第一台机器的经验，但它仍然在4个月之后才把第2台机器调整好。这是很正常的，因为要完好地调整好一个特定的过程是很复杂的。

　　当一个用户购买一个系统时，他们不仅买了一台机器和软件。每个公司都要与它的客户合作，来共同开发生产客户零件所需的工艺过程。这公司经常要在该客户的现场安装系统，与客户合作完善这过程，从而当客户签收系统时，他们需要作的只是按按钮和开始生产合格的零件。

　　IPG已经推出它的光纤维激光器的分束器。该装置能使用若干激光驱动的系统，同时由一个激光器来运行。现今有可能通过从激光器到各种机器的光纤维电缆，同时只从一个光纤维激光器来运行激光刀、激光熔接机和几个激光粉末熔接系统。这就能把该激光器的高成本分摊在几台机器上，每台机器不需要专用的激光器。

　　该技术还远未成熟，但它正在发展成为一种独持的工具，使模具制造厂、模具修理厂和其它厂家能有成本效益地解决加工问题。而这些问题的解决至今仍然需要很高成本或以前根本无法解决。

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