德玛吉3D加工中心的不锈钢粉末激光沉积增/减材复合制造

与传统制造方法相比，增材制造(又称“3D 打印”) 具有以下优点：1) 可迅速制造出自由曲面和更复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和复杂的内流道等；
2) 材料利用率高，尤其是对昂贵的稀有材料来说，可大大降低成本；3) 高度自动化，人工干预少；4) 加工效率高，尤其对难加工材料，能迅速制作出产品实体模型及模具[1?2]。在众多材料中，金属材料增材制造无疑是最具发展潜力的[3]，根据其成形原理不同，增材制造技术包括激光熔覆、激光堆焊、激光近成形制造、激光直接沉积成形、选择性激光熔化、等离子熔积制造和电子束熔融制造等[4?6]。任何一种增材制造技术都存在尺寸精度差和表面光洁度不太理想的问题，需要进行后处理，包括整形、抛光、喷丸等，这是由其制备过程中分层叠加造成的尺寸误差和阶梯效应决定的[7?8]。传统的减材制造(如机加工)具有高精度、高效率和高表面质量等优点，将增材制造与减材制造混合和集成在一台设备上，便产生了一种新的复合加工技术—增减材复合加工技术。增减材复合加工技术已引起越来越多研发机构的重视。如德国 Fraunhofer IPT 融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术，在增材制造过程中，利用铣切来加工每一层的表面轮廓，制备的不锈钢零件，致密度达到 99%，并达到精度和表面光洁度要求[9]；日本松浦机械制作所推出的商业化LUMEX A-vance-25 复合光造型机，用激光烧结和铣削工艺相结合的方式(SLM 烧结+铣削)，实现高精度的成型效果[10]；德玛吉 MORI 推出的LASERTEC 65 3D 是全球首台真正意义上的增/减材复合加工生产型设备，该设备可以借助高刚性的五轴联动数控铣床进行高精度的铣削加工与激光加工之间全自由切换，实现快速三维成形和工件精度的良好控制。LASERTEC 65 3D 能够完整地加工带底切的复杂工件，能进行修复加工和对模具及机械零件，甚至医疗器械零件进行局部或者全面的喷涂加工，其沉积速度达1 kg/h，比铺粉激光烧结法制造零件的速度快10 倍，目前在全球已经有 20 余台的应用量，特别是在欧美、日韩等发达国家。相比于国外，国内对基于增/减材复合制造技术的研究开展较晚，研究不多。华中科技大学张海鸥教授开发的“智能微铸锻铣复合制造技术”，实现了我国首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新。黄河旋风股份有限公司在全国布局了第一台德玛吉 MORI LASERTEC 65 3D 复合加工中心，主要针对传统行业难以加工的、具有复杂曲面构造的关键零部件提供定制化加工服务。异型涡轮增压壳体，底端有带分布孔的法兰，需要铣削外圆、平面和钻孔，喇叭外周有 12 个接头，必须采用焊接、铣削和钻孔等工序。
由于喇叭口大于底座的法兰，造成法兰上的孔难以加工。按照传统的减材制造的观念，这是一个工艺加工性极差、几乎无法在一台设备上加工完毕的零部件。本研究采用 LASERTEC 65 3D，通过激光直接金属沉积技术进行增材加工成形，并与铣削技术自由切换和交替进行，完成不锈钢涡轮增压壳的粉末激光直接金属沉积成形和 5 轴铣削，实现拥有最终品质零件的快速制备，优化沉积工艺参数，初步探究德玛吉 MORI LASERTEC 65 3D 复合加工中心进行金属合金构件增材与减材复合制造的零件加工能力水平和应用空间。
1 实验
1.1 设备和材料
采用图 1 所示的德国德玛吉 MORI LASERTEC 653D 复合加工中心，进行不锈钢涡轮增压壳的粉末激光直接金属沉积成形和 5 轴铣削加工的复合制造。设备主要参数指标如下：2 500 W 光纤激光器，波长1 030nm，最大光斑直径达 3 mm，最大成形尺寸为 650 mm×650 mm×560 mm，最大成形速度达 1 kg/h，比粉床铺粉方式增材制造设备的速度快 10 倍；铣削主轴转速10 000 r/min，回转轴(C 轴)360°，摆动范围(A 轴)±120°。
所用材料为黄河旋风股份有限公司采用惰性气体雾化法制备的 304 不锈钢粉末，粉末形貌如图 2 所示。粉末形貌呈球形，粒径范围 50~150 μm，D50 为 85 μm，粉末使用前需在 200 ℃条件下干燥 3 h；基板为直径200 mm、厚度 20 mm 的圆形 316L 不锈钢板，打印前用砂纸打磨基板，再用乙醇清洗，以去除基板表面的磨屑和污渍，然后烘干。

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3   结论
1)   采用德玛吉 MORI LASERTEC 65 3D 复合加工中心，完成不锈钢涡轮增压壳的粉末激光直接金属沉积成形和 5 轴铣削加工的复合制造，最佳的沉积工艺参数为：激光功率为 2 400 W，扫描速度为 1 000 mm/min，送粉速率为 14 g/min，沉积件获得理想的等轴晶组织，其抗拉强度和伸长率分别达到 632 MPa 和
46.9%，与同行业标准相当。
2)   用德玛吉 MORI LASERTEC 65 3D 复合加工中心，可完成不锈钢异型涡轮增压壳体的粉末激光直接金属沉积成形和 5 轴铣削的复合加工制造，在保证工件精度的前提下，能较好地实现如法兰钻孔、接头生产等难加工部件的一次性成形。

德玛吉 3D 加工中心的不锈钢粉末激光沉积增/减材复合制造

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