振镜
激光器
预热器
铺粉滚筒
计
算机
升降台
成型舱零件
废料桶
粉床预热器
＊来稿日期：２００６－１２－３０＊基金项目：国家自然科学基金资助项目：Ｎｏ．５００７５０３２
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#
"""""""""""""""$
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%$
"""""""""""""""$
【摘要】主要概述了金属零件的直接无模制造技术的产生背景以及研究现状与各自特点，阐述了目前的金属直接无模制造工艺存在的问题，说明了金属直接无模制造技术的发展趋势。 关键词：金属零件；直接制造；无模制造
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔｍｅｔａｌｐａｒｔｎｏｎ－
ｍｏｕｌｄａｎｄｎｅｔｓｈａｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｔｔｅｃｈｎｉｃｓｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅａｌｓｏｅｘｐｏｕｎｄｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｏｆｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｅｔａｌｐａｒｔ；Ｄｉｒｅｃｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；Ｎｏｎ－ｍｏｕｌｄｓｈａｐｉｎｇ
中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－３９９７（２００７）１１－０１２１－０３
钱应平１
黄菊华１
张海鸥２
（
１
湖北工业大学机械工程学院，武汉４３００６８）（
２
华中科技大学材料学院，武汉４３００７４）
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔｍｅｔａｌｐａｒｔｎｏｎ－ｍｏｕｌｄａｎｄｎｅｔｓｈａｐｉｎｇ
ＱＩＡＮＹｉｎｇ－ｐｉｎｇ１，ＨＵＡＮＧＪｕ－ｈｕａ１，ＺＨＡＮＧＨａｉ－ｏｕ２
（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００６８，Ｃｈｉｎａ）（２ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
随着快速成型技术的不断成熟，其发展重点已由快速原型
制造（ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ＲＰ）向金属零件快速制造（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔａｌ
ＦｏｒｍｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）及快速模具制造（ＲａｐｉｄＴｏｏｌｉｎｇ，ＲＴ）技术转
移，各具特点的后继制造材料及成型工艺也随之不断的涌现［１］－
［１４］
。国外各主要发达国家均大力发展能够直接制造出全密度、高
强度功能性金属零件的新型快速制造技术，目前的研究主要集中在单工艺与复合成形工艺直接成形。
１单工艺直接成形技术
１．１选择性激光烧结技术
选择性激光烧结是采用激光有选择性地烧结固体金属粉末，并使烧结的固化层叠加，生成所需形状的零件，其原理如图
１所示。单从成形用金
图１ＳＬＳ快速成型原理示意图属粉末材料的不同看，主要有三种途径：一是单一金属粉末的直接烧结，这种方法目前主要用于低熔点金属粉末的烧结，对熔点高的金属粉末需要在保护气氛下采用大功率激光器；第二种是利用金属混合粉末的直接烧结，其中一种粉末具有较低的
熔点（如铜粉），另一种粉末熔点较高（如铁粉），烧结中低熔点的金属粉末熔化并将难熔的铁粉粘
接在一起，这种方法同样需要较大功率的激光器，并需气体保护；还有一种是利用金属粉末与有机粘结剂共混粉体的间接烧结，烧结中低熔点的粘接剂粉末熔化并将高熔点的金属粉末粘接，形成原件
通用机关零件（“绿件”），经后处理，烧去粘接剂，形成“褐件”，最后经过金属熔渗工艺得到致密的金属件。
１．２激光近形制造技术
干电池手机此技术是美国ＳａｎｄｉａＮａｔｉｏｎａｌＬａｂ．提出。是选择性激光烧结技术和激光熔覆技术的结合，既保持了前者制造零件的优点，又克服了其成形零件密度低，强度不高，性能差的缺点［１５］－［２５］。激光近形制造技术的工作原理和选择性激光烧结技术相似如图２。先生成ＣＡＤ模型，然后用切片软件进行分
图２激光近形制造原理示意图
层处理获得具有一定厚度的薄层并生成每层的扫描轨迹。工作时将金属粉末通过送粉装置喷射到激光束产生的熔池中，类似于激光熔覆过程。通过数控工作台的移动逐点、逐线激光熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆完成后，激光头上升一个层厚路轨两用消防车
第１１期
２００７年１１月
－１２１－
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ机械设计与制造
（或工作台下降一个层厚），再继续熔覆第二层，使第二层与第一层冶金结合，逐层熔覆最后得到一个三维零件。激光近形制造技术制作的零件致密，力学性能优良，可以达到甚至超过锻造零件的性能［２６］－［２９］。还可以制造梯度功能零件［３０］－［３１］。尽管利用激光近形制造技术已能直接制造出金属零件，但仍存在许多亟待解决的问题。首先，由于送粉的先生成ＣＡＤ模型，然后用切片软件进行分层处理获得具有一定厚度的薄层并生成每层的扫描轨迹。工作时将金属粉末通过送粉装置喷射到激光束产生的熔池中，类似于激光熔覆过程。通过数控工作台的移动逐点、逐线激光熔覆，获得一个熔覆截面，一层熔覆完成后，激光头上升一个层厚（或工作台下降一个层厚），再继续熔覆第二层，使第二层与第一层冶金结合，逐层熔覆最后得到一个三维零件。尽管利用激光近形制造技术已能直接制造出金属零件，仍存在亟待解决的问题。１．３三维打印成形
三维打印成形采用分层印刷过程来制造实体零件，先在工作台面上铺粉，然后从喷头对粉末表面进行扫描，有选择性地将粘结剂喷洒在粉末上，使粉末粘结在一起，从而形成一层零件截面。通过逐层粘结即可形成最终零件如图３。该工艺由美国ＭＩＴ研究成功，Ｓｏｌｉｇｅｎ、ＺＣｏｒｐ等公司将其商品化。美国麻省理工学院研究成功的３ＤＰ工艺开始使用的成形材料是陶瓷颗粒，把陶瓷粉换成
不锈钢粉，同时，保证金属粉对所喷洒的化学粘剂具有很好的润湿性，便可以制造出金属“绿件”，“绿件”在经过去除粘接剂和渗铜处理，便可得到高密度件，对其表面进行打磨抛光后即可使用。这种方法可以成形较复杂的空腔零件，成形效率高，但零件强度不够，须后处理，表面精度差。
图３三维打印成形过程
１．４金属零件的ＬＯＭ技术
ＬＯＭ工艺称为分层实体制造，它采用激光切割箔材，箔材之间靠热融胶在热压辊的压力和传热作用下粘接起来，一层层叠加制造原型如图４。
图４ＬＯＭ技术原理示意图
日本ＴｏｋｙｏＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大学的Ｔ．Ｏｂｉｋａｗａ等人研究使用金属薄带制成金属件。使用的是厚度为０．２ｍｍ的钢板，在钢板的两面涂上低熔点的合金。ＣＡＭ－ＬＥＭ、ＩＮＣ采用ＬＯＭ原
理开发了可以制造金属和陶瓷零件的工艺，称为ＣＡＭ－ＬＥＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ＡｉｄｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆＬａｍｉｎａｔｅｄＥｎｇ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ），用粘接剂粘接陶瓷或金属薄膜，用激光切割轮廓和分割块。制造的半成品还需要在炉子中烧结，使其达到理论密度
的９９％，但同时会引起１８％左右的收缩。另外，如果板厚过大则原理误差较大，而板厚过小，造型时间长，造型的强度低，因此离实际应用还有一段距离。
１．５等离子熔积直接成形
等离子熔积直接成形（ＤｉｒｅｃｔＰｌａｓｍａＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＰＤＭ）是基于快速成形的层积原理，采用焊接方法中高度压缩、集束性好的等离子束熔化同步供给的金属粉末，在基板上逐层堆积形成金属原型或零件的技术，其实质是计算机控制下的三维等离子粉末堆焊成形。等离子熔积或沉积基板的运动是通过ＣＡＤ模型经切片分层处理后形成的二维平面信息来控制的。零件成形的关键在于稳定精确地供应粉末，并控制金属粉末的熔化及随后的凝固过程，保证一定的熔池形状和连续的固／液界面，使得成形过程保持连续和一致。其成形原理如图５。
图５等离子熔积成形原理示意图
１．６熔滴成形制造技术
熔滴成形制造技术是美国Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ大学正致力于研究的基于高精度熔滴网格制造工艺。该工艺采用向基体喷射直径１００微米的熔化铝滴的方法来成形零件，目前的成形速度达到２００００滴／Ｓ。人体束缚
１．７多相组织沉积制造工艺
美国卡内基梅伦（ＣａｒｎｅｇｉｅＭｅｌｌｏｎ）大学的Ｌ．Ｅ．Ｗｅｉｓｓ和斯坦福（Ｓｔａｎｆｏｒｄ）大学的Ｒ．Ｍｅｒｚ在１９９７年发表的文章中提出了一种多相组织的沉积制造方法（ＳｈａｐｅＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆＨｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）。与此相似，西安交通大学卢秉恒教授在１９９５年申请国家自然科学基金项目《一种微机械制造的新方法》中也阐述了用多个喷头熔积不同材料来制造微机械的思想，该项目１９９６年获国家自然科学基金资助。这种方法的原理如下：利用等离子放电来加热金属丝材料，熔化的材料熔积到工件逐渐成形。制做一个多种材料的工件时需要多个喷头，各喷头可分别喷出不同的材料。在ＣＡＤ设计中，可以设计出一个完整的器件，器件中的零件由不同材料组成，分层后的材料信息将在每个层面中体现出来。在每一层面上，根据各部分所需要的材料要求，分别喷上所需材料，这样逐层制造就可成形出一个多种材料和部件的三维实体器件。这种技术可在一些小型复杂结构器件
－１２２－第１１期
钱应平等：金属零件的直接无模近终成形技术＊
的一次整体制造中使用，而无需分件加工和装配，是一个材料与结构一体化的方法，是发展微机械制造的一条有效途径。
虽然上述工艺受到研究者的普遍关注并在某些方面取得了一些成果，但单一的快速成形工艺方法仍然存在种种问题，限制了金属零件快速制造技术的实际应用。
２金属零件复合工艺直接快速制造２．１熔融沉积与数控铣削复合直接制造金属零件Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学的Ｆ．Ｂ．Ｐｒｉｎｚ等人开发的形状沉积制造（ＳＤＭ）方法采用５轴数控铣床对外轮廓和表面精整，在解决侧面阶梯效应所造成的表面质量和尺寸精度问题方面做了一些尝试。其工艺步骤是：利用电极熔化金属丝以提供成形材料，并在数控系统控制下完成零件的一个层面，然后用数控铣削其端面和侧面，使其达到该层要求的高度和形状精度，重复上述步骤，直到最后的三维零件完成，其原理如图６，图７为沉积与数控铣削复合直接制造机床照片。国内的西安交通大学先进制造技术研究所在从事三维堆焊与数控铣削相结合的成形的研究，但目前尚局限在简单形状的零件制造。
图６形状沉积制造原理示意图
图７沉积与数控铣削复合直接制造机床
２．２高速铣削与激光复合加工
德国ＤＭＧ（Ｄｅｃｋｅｌ、Ｍａｈｏ、Ｇｉｌｄｉｍｅｉｓｔｅｒ三个公司的首字母组成）公司推出了ＤＭＵ６０Ｌ模具激光复合加工机，该机采用铣削和激光进行复合加工，先将工件用高速铣削粗加工到留有一定余量，然后用激光精加工到所要求的尺寸精度和表面粗糙度，其
图８高速铣削与激光复合加工表面粗糙度可以达到１μｍ。使用方便，只须将工件一次装夹定位，就可完成模具的粗、精加工操作如图８。机床的铣刀主轴功率为１４．６ｋＷ速高达１２０００ｒ／ｍｉｎ。这种方法的投资成本太大，加工效率还不能达到实际生产的要求，目前主要用于加工小型的金属模具。
３金属零件直接成形技术存在的问题虽然目前金属零件直接成形技术的研究取得了显著成就，有些成形工艺已经在实践中得到应用，但是离真正的实际要求仍然有相当大的差距，主要表现在以下几个方面。
（１）金属零件组织、性能难以达到实际要求；
不论是单工艺还是复合成形工艺，制造出来的金属零件在整体范围内都存在内部组织不均，结合强度不高，力学性能存在各向异性等特点，离实际的工业化生产相差甚远。
（２）金属零件的制造效率有待进一步提高；
目前的直接制造金属零件技术虽然具有直接制造的特点，但是制造的效率还远远没有达到应用的要求。
（３）直接制造出来的金属零件的尺寸精度不高；
金属零件的精度较低，往往要经过后续加工处理才能达到精度要求。这不仅降低了加工的效率而且增加了加工的成本。
（４）制造成本较高。
所有的直接金属零件制造技术的设备投资较高，另外由于要经过后续加工才能满足要求，而且零件的制造效率较低，这样使金属零件的制造成本较高，从而限制了金属零件直接制造技术的广泛应用，目前主要集中在一些特殊零件的制造。
电烤箱温度控制系统４发展趋势
针对以上金属零件直接无模成形工艺特点及存在的不足，今后的研究主要集中在以下方面。
（１）进一步提高金属零件直接无模制造的效率。
（２）提高金属零件的制造精度。
（３）提高金属零件的组织、力学性能。
（４）进一步完善设备的控制系统，开发出更好的控制系统。
（５）提高材料的利用率也是研究的重点之一。
（６）开发新的金属零件直接无模成形工艺并研制相应的设备。
（７）进一步改善现有的金属零件直接成形工艺，降低设备的投资成本和零件的制造成本。
参考文献
１张海鸥．快速模具制造技术的现状及其发展趋势．模具技术，２０００（６）：８４￣８９．
２颜永年，张人佶，郭海滨等．快速成形技术的功能集成研究．中国机械工程，１９９７，８（５）：１３￣１５，３１．
３ＰａｕｌＤｖｏｒａｋ．ＨｅｒｅＣｏｍｅｓ．Ｒａｐｉｄｔｏｏｌｉｎｇ．ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎ，１９９８，７０（１３）：３３￣３６．
４ＣｈｕａＣｈｅｅＫａｉａｎｄＬｅｏｎｇＫａｈＦａｉ．Ｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｇ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆ＳｏｎｓＩｎｃ．，１９９８：６７￣６９．５张魁武．国外激光熔覆应用和直接熔覆金属零件及梯度材料制造．
金属热处理，２００２，２７（９）：１￣４．
６白培康，史育红，程军等．三维成型焊接快速制造技术．焊接技术，
１９９８（６）：３９￣４０．
Ｎｏ．１１
Ｎｏｖ．２００７－１２３－
机械设计与制造
包装箱制作
