壓鑄+增材制造的混合成形工藝研究

來源：汽車材料網(wǎng)

激光熔化（Laser Beam Melting-LBM）和激光金屬粉末沉積技術(shù)（Laser Metal Deposition-LMD）具有可生產(chǎn)復(fù)雜形狀部件的優(yōu)勢(shì)，特別適用于復(fù)雜零部件的小批量生產(chǎn)。近年來，其在航空航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域有了越來越多的應(yīng)用。盡管如此，增材制造由于生產(chǎn)時(shí)間相對(duì)較長，生產(chǎn)成本較高，仍然很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。

與增材制造相比，壓鑄工藝可在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出大批量的產(chǎn)品。得益于高達(dá)12米/秒的填充速度，壓鑄部件的生產(chǎn)周期每個(gè)組件僅需幾分鐘就可完成。然而，擁有高生產(chǎn)效率的同時(shí)也有一些缺點(diǎn)：如，高復(fù)雜程度的部件不能成型較難，且往往需要更為精細(xì)的模具。生產(chǎn)過程高機(jī)械強(qiáng)度、熔體的沖擊磨損以及較大的溫度波動(dòng)都導(dǎo)致壓鑄模具較為昂貴。此外，一個(gè)模具一般只能生產(chǎn)一種形狀的零件。

作為Agent-3D聯(lián)合項(xiàng)目的一部分，由德國聯(lián)邦教育和研究部資助的CastAutoGen項(xiàng)目致力于將增材制造與壓鑄工藝相結(jié)合，形成混合工藝鏈，更好的發(fā)揮這兩種工藝的優(yōu)勢(shì)。工藝路線的設(shè)計(jì)充分考慮生產(chǎn)周期和成本因素，將簡單的大體積結(jié)構(gòu)區(qū)域采用壓鑄工藝制造，高功能化和復(fù)雜程度較高的部件區(qū)域采用二者相結(jié)合的工藝�；诖嗽O(shè)計(jì)了兩套工藝方案：方案1研究了將附加插入和裝配到單一模具中；方案2研究了如何通過LMD在單一壓鑄構(gòu)件上創(chuàng)建附加結(jié)構(gòu)。

1模具中附加零件的制造
方案1研究了利用激光束熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓鑄成形工藝。該方案中，加強(qiáng)筋、熱交換器、支架等結(jié)構(gòu)通過激光束熔化制造，然后插入模具，再這些部件周圍開始鑄造。具體如圖1。該方案還研究了不同幾何形狀的界面改性技術(shù)，以達(dá)到更好的結(jié)合性。

研究者針對(duì)汽車輔助單元支架的壓鑄模具進(jìn)行改進(jìn)，使得插件能模塊化的容納在模具中。在激光熔融工藝的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，需特別注意連接區(qū)域結(jié)合界面的幾何形狀和表面修飾。因此，研究了如圖2所示的三種界面結(jié)構(gòu)的連接機(jī)械性能，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

2在壓鑄結(jié)構(gòu)中添加附加件
方案2研究了在鑄造部件上通過激光金屬粉末沉積技術(shù)（LDP）和焊接工藝實(shí)現(xiàn)附加部件的技術(shù)方案。與方案1不同，方案2是以壓鑄件為基礎(chǔ)（如圖4中灰色部分），采用LPD技術(shù)制造附加結(jié)構(gòu)，并通過焊接實(shí)現(xiàn)結(jié)合。

激光粉末沉積（LDP）是通過借助于聚焦激光束局部熔化基板表面將金屬或陶瓷填充材料以粉末形式焊接到金屬基板上的過程。如圖6（左）所示，填充材料首先通過吸收激光束能量熔化，然后再從熔池吸收熱量后完全熔化。該過程需在保護(hù)性氣體氣氛下進(jìn)行，以避免發(fā)生不需要的化學(xué)反應(yīng)。熔體通過散熱進(jìn)入部件而固化，形成焊珠。多個(gè)焊珠的堆疊形成整個(gè)三維結(jié)構(gòu)。適合的材料有鋼、鎳、鈷、鋁、銅、鈦等。

在激光束熔化中，如圖6（右）所示，組件是由粉末分層堆疊而成的。將組件的CAD文件分層導(dǎo)入系統(tǒng)后，在限定高度將粉末層施加在基板上，激光束在惰性氣體氣氛中掃描粉末床表面，在對(duì)應(yīng)的點(diǎn)熔化，進(jìn)而固化。然后再施加下一層，直至整個(gè)部件完成，最后將部件移出。

從圖5（左）中可以看出，常規(guī)生產(chǎn)的鋁壓鑄部件會(huì)有一些不規(guī)則分布的孔。當(dāng)激光熔化孔周圍的材料時(shí)，將造成孔的膨脹，導(dǎo)致起泡，如圖5（中）。而真空鑄造工藝可有效改善孔隙問題，防止起泡，如圖5（右）。

下表1展示了混合部件和單一材料的機(jī)械性能對(duì)比，雖然性能略低于單一材料的文獻(xiàn)參考值，但均符合汽車工業(yè)的要求。且在測(cè)試中，相關(guān)的連接區(qū)域沒有發(fā)生失效。

基于該工藝，研究人員制造了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，如圖7（左）。由于奧迪這款產(chǎn)品已停產(chǎn)，所以未能進(jìn)行真空鑄造。從圖7右側(cè)的CT掃描中可以看出，通過LPD生產(chǎn)的加強(qiáng)肋幾乎沒有孔隙。其僅在壓鑄和附加結(jié)構(gòu)之間的過渡區(qū)域中出現(xiàn)部分孔隙。目前該團(tuán)隊(duì)正在研究制造用于動(dòng)態(tài)/靜態(tài)力學(xué)性能以及耐腐蝕性測(cè)試的部件。

作者：STEFEFAN POLENZ、MARKUS OETTEL、DR. ELENA LóPEZ、PROF. DR.

參與此項(xiàng)研究的單位有：
F Fraunhofer IWS (LPD process)
F Fraunhofer IWU (LBM process)
E Edag (simulation, development)
Trimet Automotive (aluminum casting)
Oerlikon AM (production and service)
Audi (associated partner)
ZF Friedrichshafen AG (associated partner).