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摘　要： 當一個模制、鍛制、壓鑄或沖壓的零件改變設計時，用于制造這些零件的模具也需要改變。直至最近，在對一個模具進行重大改變中涉及的困難和花費，經常使得制造一個新的比修改舊的，還更具有成本效益。但如果通過使用結合激光和粉末金屬的過程，便能改變這種狀況。

當一個模制、鍛制、壓鑄或沖壓的零件改變設計時，用于制造這些零件的模具也需要改變。直至最近，在對一個模具進行重大改變中涉及的困難和花費，經常使得制造一個新的比修改舊的，還更具有成本效益。但如果通過使用結合激光和粉末金屬的過程，便能改變這種狀況。

這個過程，或稱之為激光粉末熔接、激光粉末淀積、直接金屬淀積或粉末金屬淀積，是用一種高能激光，在基底表面，例如一個模具的表面，產生一個小的熔化池，同時一個匯聚的細磨金屬顆粒流注入熔化池，以增加材料的體積。金屬顆粒熔融并與基底金屬接合，形成固有層。通過這樣一層一層的疊加，將一個舊的模具填充成一個新的、能夠接近最終所需形狀，并能加工到滿足公差要求的新模具。

在這過程中，有很多種粉末材料可供使用，包括鈦、不銹鋼、工具鋼、金屬碳化物、Iconel和其它稀有合金。因為材料很快冷卻，并且凝結成微細粒度的微觀結構，因而它們比鍛制材料強度更高，不失延展性。淀積的材料能匹配基底金屬，逐漸或急劇過渡到不同的材料，形成真正的冶金接合。施加粉末的量和形式，可以通過軟件控制噴嘴進給系統來連續調節。

由于激光產生的熱特別局限，所以模具的變形不成問題。這過程使模具的重新裝備更有成本效益，并給模具設計師提供新的機遇。該過程的另一個特點是它可以容易地給模具加上以前不可能有的特性，例如：傳統的方法是冷卻道在制造以后，在工具上鉆孔，而且限于直線通道。而這種新的過程，模具上可以加上復雜的冷卻道，符合零件的形狀，加快冷卻，減少了生產循環時間。

如今比以前能更有效地把導熱材料加到模具上。如果一個銅陽模裝入一個鋼模具中，由于兩種材料的熱膨脹系數相差很大，在模制過程中，模具的熱循環，使兩種材料之間急劇傳熱，會產生很大的應力。如使用這過程，從一種材料逐漸傳到另一種材料，減少了零件在材料界面損壞的可能性。

這過程也能用來涂敷涂層和進行表面修整，免去傳統涂層和電鍍技術所固有的多孔性，而且涂層厚度或材料成分沒有限制。關于這過程的研究，始于二十世紀八十年代。在八十年代末期，General Electric專利的一種型式，已經被美國南卡羅來納州的Huffman Corporation公司 (www.huffmancorp.com) 使用，用于制造和修理燃氣輪機零件的系統。這些Huffman 系統被General Electric、Pratt &Whitney、Rolls-Royce North America、Honey-well International和許多其它零件制造廠和修理廠使用。Huffman也開發了許多系統，用于醫療植入管和工具插入物。

自從二十世紀九十年代，在政府基金的支持下，許多學術研究所和研究實驗室都巳對這過程作進一步的開發。通過技術轉讓，至少有兩個公司已經基于這些研究開發出了商品化的系統。

美國新墨西哥州阿爾伯克基(Albuquerque)的Optomec(www.optomec.com)， 在Sandia國家實驗室完成的研究的基礎上，創造了它的激光設計凈形(LENS)系統。激光設計凈形(LENS)系統的首個商業版在1998年發貨。最近兩年，美國軍方在阿拉斯加州安尼斯頓(Anniston, Ala.) 的安尼斯頓軍需庫巳經使用了一個Optomec系統，用于修理Abrams M1坦克的汽輪機零件。Optomec主要重點是航天航空工業，但也供應其它應用系統。

第二家公司——美國密歇根州的POM公司(www.pomgroup.com) 已經商品化一種版本的技術是密歇根大學開發的直接金屬淀積。POM的主要重點是工藝裝備行業，他們的過程開發小組為用戶提供先進的工藝裝備、工藝裝備重建和工藝裝備重新組態，而他們的機器設計和制造組為特殊用戶應用和行業需要，設計、制造和安裝直接金屬淀積系統。

POM已經完成的工作的一個實例涉及到模具，該模具用于美國通用汽車的制造，即在近期型號的汽車保險杠上增加鹵素燈。POM能用它的直接金屬淀積法，在老的保險杠模具上淀積新的材料，然后，將它加工成新形狀，這樣節省了通用公司制造一套新模具的成本。

另一家公司——美國Fraunhofer公司(www.ccl.fraunhofer.org) 也與密歇根州立大學合作，在用戶工廠進行新產品、工藝和應用開發，包括設計和生產與試驗系統的集成。Fraunhofer主要是工藝過程研究和開發實驗室，也進行生產。迄今，他們已經發運了用于表面硬化的系統，但不是用于模具修理。

雖然這些公司的研究都是基于同一基本原理，但是，在此基礎上，每家公司都已各自開發并繼續開發自己的專利元件和技術。每個系統的核心是一個激光器。

“現在使用的有4種不同的激光器，”Optomec的激光設計凈形系統(LENS)產品經理Richard Grylls說。”CO2和nd:YAG(摻釹釔鋁石榴石)是較老的技術，直接二極管和光纖維激光器較新。直接二極管激光器需要進一步設計，把它們集成到激光設計凈形(LENS)系統，而光纖維激光器不需維修，容易使用，消耗品也不需像CO2激光器那樣，效率至少是老激光器的2倍。

“使用馬薩諸塞州Oxford的IPG(www.ipgphotonics.com) 的光纖維激光器。我們的效率提高了25%以上，這對于激光器來說是很高的。它們與材料有很好的偶合性，激光質量特別高。這就使我們很容易把他們的激光器用于我們的光學和其它元件中。”

Huffman已經使用CO2和nd:YAG兩種激光器，在它的最新系統中將使用IPG光纖維激光器。Fraunhofer在它的最新系統中也使用IPG激光器，而POM使用德國激光器制造廠TRUMPF Group (www.trumpf.com) 的CO2激光器。

用于焊接的激光器功率范圍在100瓦到400瓦之間，而最近用于粉末熔接的激光器功率范圍為1千瓦到5千瓦，功率大10～12倍，通常是一個系統中最貴的元件。

激光粉末熔接系統中的另一個重要元件是控制激光器工具路徑的軟件。工具路徑通常通過切片分層CAD設計來決定，然后編程激光器，一層一層堆上材料。但是，許多應用需要更復雜的軟件。

“我們修理的渦輪葉片無論何處都不再接近它們原CAD檔案的形狀，”Hulfman公司總裁Roger Hayes說。”因此，我們對每個葉片都要作逆向工程。我們的視頻系統掃描葉片，與CAD原形作比較，然后，基于特定葉片的凈差，開發激光器的獨特路徑。軟件大約需要1秒來計算工具路徑，然后我們能開始焊接。我們開發視頻和逆向工程系統花了很長時間，但這是需要的，因為我們總是涉及很復雜的形狀。”

有興趣使用這種新技術的公司有3個選擇：雇用上述4家公司之一，以服務的形式展開該工作；自這些公司買一個系統，內部做這項工作；或開發他們自己的專利系統。而開發一個專利的系統并不是件容易的事情。

“準確了解怎樣操作這個過程，比只有一臺機器更重要，”Hayes說。“我們能把一臺機器給某個單位，他們用10年，但可能仍不能正確使用。”

當一個系統調好時，它能高質量工作，每天工作24小時，每周工作7天，但調整要花些時間。Anniston軍方的軍需庫，提取它的第2臺Optomec系統時，即使它當時已經有了兩年多使用第一臺機器的經驗，但它仍然在4個月之后才把第2臺機器調整好。這是很正常的，因為要完好地調整好一個特定的過程是很復雜的。

當一個用戶購買一個系統時，他們不僅買了一臺機器和軟件。每個公司都要與它的客戶合作，來共同開發生產客戶零件所需的工藝過程。這公司經常要在該客戶的現場安裝系統，與客戶合作完善這過程，從而當客戶簽收系統時，他們需要作的只是按按鈕和開始生產合格的零件。

IPG已經推出它的光纖維激光器的分束器。該裝置能使用若干激光驅動的系統，同時由一個激光器來運行。現今有可能通過從激光器到各種機器的光纖維電纜，同時只從一個光纖維激光器來運行激光刀、激光熔接機和幾個激光粉末熔接系統。這就能把該激光器的高成本分攤在幾臺機器上，每臺機器不需要專用的激光器。