来源：中国机械工程
作者：宋波 文世峰 刘洁 闫春泽 魏青松 史玉升*
华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室
导读：增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术与传统的等材制造技术（铸、锻、焊等）和减材制造技术（切削加工等）相比，虽然发展历史不到30年，但已显示出了其独特的优势和发展潜力。目前来看，增材制造技术不是对传统制造技术的替代，而是弥补传统制造技术的缺陷，从而促进和提升传统制造业。本文主要介绍华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室在AM技术与熔模铸造、热等静压、注塑模具等与传统制造结合技术的研究成果及其应用情况。在改造和提升传统熔模铸造技术上，主要介绍了AM熔模的材料、复合成形的应用案例等；在与等静压的结合方面，主要介绍了金属件的AM/等静压复合成形工艺与过程模拟等；在与注塑模具结合方面，主要介绍了AM成形随形冷却流道注塑模与传统工艺成形注塑模的性能对比等。
1增材与铸造复合制造
熔模铸造生产的金属零件具有表面粗糙度、尺寸精度高、形状复杂等特性。该方法特别适合于近净成形制造具有复杂结构的零件，然而，熔模铸造模具的质量是决定铸造零件性能的一个重要的因素，对于复杂结构零件的整体铸造，熔模模具的制造对于传统加工方法是一个关键技术难题，将决定原材料的消耗及时间成本，因此，有必要探索和发展制造复杂铸造模具新工艺路线，而激光选区烧结技术(selective laser sintering,SLS)对于复杂结构的熔模具备强大的制造能力。
当前，人们已开展对多种聚合物粉末激光选区烧结研究，如尼龙（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、ABS、蜡等的激光选区烧结方法。然而，对于熔模铸造使用的蜡模材料，不仅要考虑激光选区烧结制造原型件的强度和精度，更要考虑结壳或石膏型的脱蜡工艺，因此，激光选区烧结制造过程中所用的材料最好能够在脱蜡过程中完全脱除或烧失，留下的残留物越少越好（满足精密铸造的要求）。蜡是熔模铸造中用得最多的一种优良模料，虽然国内外都对蜡的激光选区烧结成形过程进行了大量的研究，但激光选区烧结从蜡材料制作熔模的变形问题 一直没有得到很好的解决。PC材料具有良好的激光烧结性能，制件的部件强度较高，是最早用于铸造熔模和塑料功能件的聚合物材料。但PC的熔点很高，流动性不佳，需要较高的焙烧温度，因而现已被PS所取代。综合来看，激光选区烧结技术制备PS材料具有一定的优势，然而，其成形件强度较低、易断，不适合制备具有精细结构的复杂薄壁大型铸件的熔模。然而，当前PS仍然是增材制造技术制作熔模铸造用蜡模的最常用材料。增材制造蜡模包含两个过程，首先，基于SLS技术用PS粉末制造原型模具，然后，通过渗蜡处理改善原型模具的孔隙率和表面完整性。针对PS力学性能差的问题，华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室研究了以高抗冲聚苯乙烯（HIPS）为基体的高强度蜡模材料，HIPS是经改性的PS，该材料在大幅提高PS冲击强度的同时对材料其他性能的影响较小，较适合激光选区烧结成形熔模铸造所需的模具原型件。
整体化和短流程是铸造工艺发展趋势，但传统方法很难满足这些要求。为此，本实验室将增材制造技术与传统铸造方法相结合，不但解决了飞机发动机机匣（蜡型）、高温合金叶片（陶瓷型）、汽车发动机缸盖（砂型）等复杂件的整体铸造难题，而且也将铸件交货时间由传统方法的3个月以上缩短为1周左右。通过这种复合制造，许多实际应用问题被解决。图1展示了飞机舱门及十字连接件的成功应用实例。该类零件具有外形尺寸大（接近1 m）、壁薄（厚度为3~5 mm）、多筋、曲面等特殊尺寸和形状特征，传统机加工和模具方法制作蜡模存在加工时间长、难以整体成形和精度难控等难题。增材制造与熔模铸造相结合对飞机部件的整体铸造提供了一个可行的解决方案。高抗冲聚苯乙烯（HIPS）部件采用SLS制造原型，然后通过渗蜡处理得到用于铸造的蜡模，采用传统的精密铸造技术制造目标零件，如图2所示。另外，关于制造成本，开展了增材与铸造复合制造和传统金属注射制造之间的比较。研究发现，舱门和十字接头部分的两蜡模，设计、处理时间约为一周，而采用传统的金属注塑，模具设计制作，加工和蜡将花费大约9周的时间，是复合制造时间的9倍。
（a）飞机舱门HIPS原型件
（b）十字接头HIPS原型件
图1 SLS制作的大型蜡模
（a）飞机舱门
（b）十字接头
图2 熔模铸造钛合金零件
总的来说，增材与铸造复合制造模式，对于整体化和短流程铸造工艺，起到了改造和提升作用。
2AM与传统热等静压结合
粉末热等静压(hot isostatic pressing,HIP)成形是一种粉末冶金技术，其原理就是将粉末用金属包套封装后放置在热等静压炉中，升温到材料熔点的三分之二左右，通过温度和压力的作用，使粉末发生冶金结合，形成的零件致密度高，性能均匀。热等静压过程需要一个控制零件形状及盛装粉末的密封容器，即包套，这个包套实际上就是一个模具。热等静压近净成形包括包套的设计、包套成形与拼接、粉末的封装，最后进行热等静压成形。根据最终部件所用材料，采用AM技术制成一个完整的同质包套，不用其他辅助工艺，热等静压后包套和内部粉末形成一个致密的实体，完成后就不必除去包套。因此，AM和热等静压结合的复合加工技术可以降低生产成本和缩短交货时间。此外，采用AM和热等静压结合制备的部件可以达到接近100%的致密度。虽然包套中不可避免会有一些孔隙的存在，但是由于孔洞都是非连通的，且孔洞较少，在包套壁厚度大于2 mm的情况下，可以保证包套的气密性。
在热等静压近净成形技术中，包套与控形型芯的设计与制造是关键技术之一，其成本占总成本的60%以上，且零件越复杂越难制造，所占成本越高。使用传统的机械加工方法来制造包套和型芯，对特别复杂的零件，加工难度非常大，有的甚至无法加工。针对该问题，华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室创新性提出应用AM技术快速、低成本成形无需去除的热等挤压复杂同质包套，用热等静压致密包套中金属粉末来直接整体成形零件，研究采用AM/热等静压复合成形方法，来实现热等静压用复杂控形包套和控形型芯快速低成本制造，以克服传统方法制造复杂包套和型芯的工艺难题。大大降低了设计与制造不兼容性，可以制造传统制造方式无法加工的复杂结构，是能够有效应用的快速成形技术之一。
图3为AM/HIP复合成形的工艺路线示意图。传统热等静压工艺一般是用软钢作为包套，热等静压后通过酸洗去除包套。而采用选择性激光熔化技术直接成形包套，包套在热等静压之后无需去除则有望可以达到目标零件的最终尺寸。
图3 AM/热等静压复合成形工艺过程
AM和热等静压结合近净成形部件的致密化过程为：（1）在初始阶段，随着压力的增加，粉末之间的间隙减少，有的粉末被挤压进粉末之间的间隙。由于粉末形状呈球形，根据球体的堆积原理，粉末之间只有点接触，相同粒径的粉末最大堆积密度只能达到53%。在不同粒径粉末的混合下，其最大堆积密度也只能接近60%。但是随着压力的进一步增大，粉末发生塑性变形，点接触逐渐变成面之间的接触，减少了球体之间的孔隙。（2）当温度和压力进一步升高的时候，粉末颗粒已经完全发生了塑性变形，颗粒之间发生扩散蠕变，形成冶金结合，孔隙进一步消失，最终形成致密的实体。
图4是在计算机使用Marc软件模拟零件在热等静压过程中的密度变化。在建立模型时充分考虑了模型的对称性，在不影响分析精度的前提下，利用模型的对称性可以大幅度减少网格的单元和节点数，减少计算时间。由于包套形状的轴对称以及两端对称性，在建立模型是选取整体的1/4进行分析。包套材料为316L不锈钢，内部填充粉末材料为316L不锈钢粉末。通过模拟研究包套封闭下的金属粉末在压力和温度作用下，包套收缩引起的密度变化。图中5个过程可以清楚的看到零件随着时间的推进，包套在不断收缩，内部粉末致密度不断提高，最后达到致密的状态。由图可以看出，在HIP后，包套和内部粉末在压力和温度的作用下，充分融合在一起。由于包套是由AM成形而成，在高温作用下，由AM成形形成的细小晶粒长大后形成大的晶粒。内部粉末在高温高压下，经历了塑性变形及蠕变过程，粉末颗粒之间完全冶金结合，粉末颗粒边界已经完全消失，晶粒经过生长和延伸，穿过粉末颗粒边界，形成较大的晶粒。
图4 计算机模拟零件热等静压过程中密度变化云图
在热等静压后，试样的致密度均有所提高。由于AM成形的试样致密度在97%以上，所以其内部孔隙较少，且均为封闭的孔洞，在高温高压下，孔洞被进一步压缩，有的孔洞被压缩后，内部气体逸出，孔洞闭合，形成致密区域。有的孔洞在该压力下不能完全闭合，形成较小的孔隙。由于孔洞的减少，试样的致密度得到提升。处理后的试样致密度最高达到98.4%。
图5是AM试样在不同HIP温度处理后的拉伸曲线 。在三种HIP处理温度下，AM试样的强度都相差无几，均在650 MPa左右。只是随着HIP温度的升高，AM试样的延伸率随着增加，在1200℃时，其延伸性能最好。由于AM试样中或多或少的会存在一些孔隙，这些孔隙的存在导致零件的致密度不高。在AM成形零件中，致密度是影响其强度的一个重要因素。在三种HIP温度处理后，零件的致密度接近，所以其强度也基本相同。
图5 压力为120 MPa，不同HIP温度下的SLM试样拉伸曲线
3AM技术改造和提升传统注塑模具性能
模具作为成形的基础工艺装备，直接决定着成形件质量，但模具的复杂随形冷却流道无法用机加工完成。对于注塑模具，由于注射的塑料温度高达250℃，如果没有冷却系统，经过一定时间的使用，模具温度会升到同熔融的塑料一样高，无法保证冷却效果和成形产品质量。为了给模具降温，则需要在模具的凸模和凹模上设置冷却水道。由于传统加工方法的限制，冷却水道只能加工为直的圆孔或者其他形状，而模具表面的形状多呈复杂曲面，这样便导致了冷却水道和模具表面的距离不一致，模具各部分散热效果不同，引起模具表面温度不一致。模具表面温度差距大导致冷却不均匀，注射成形的塑料产品容易发生翘曲变形，且由于冷却效果不佳，也导致了冷却时间过长，降低了生产效率。而采用AM技术成形金属模具或者镶块，根据模拟结果，可以随意地设计出随着产品形状而改变的冷却水路，在热量集中的地方可以加粗冷却管路或者加快水流速度，以达到最佳的冷却效果。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室发明了“一种直接制造金属零件的增材制造系统”，可直接利用增材制造技术加工紧附于模具型腔表面的冷却水道，成形出随形冷却流道的模具，取得了很好的效果。极大提升了模具冷却的效率和均匀性，使注塑模具制造的成本和周期分别降低15%和30%，注塑时间缩短30%。成果在深圳兆威和广东科龙等模具厂得到应用。
3.1注塑模具材料与方法
本实验室前期研究了采用AM技术间接成形，设计出随形冷却流道的方法，取得了很好的效果，但由于间接成形周期长，成本较高，因此，本实验室研究出采用AM技术直接成形随形冷却模具的方法。
如图6a所示，拟成形一个塑料杯子的模芯，采用螺旋式的随形冷却流道，水道截面为圆型，直径为4 mm。采用316L不锈钢粉末材料成形金属模具，粉末粒径为36 μm，增材制造设备采用本实验室的HRPM-Ⅱ型AM快速成形设备，图6b所示为增材制造直接成形金属模具。
图6 随形冷却流道模型和实物
3.2冷却效果模拟
图7展示的是采用商用注塑模拟软件MPI（moldflow plastic insight）进行注塑过程模拟的结果。图8a采用的传统直流道，图8b采用的随形冷却流道。由模拟结果可以看出，随形冷却流道模具的冷却时间约为7 s，采用传统直流道的冷却时间约为9 s，随形冷却流道的冷却效率较直流道提高了接近30%，具有较高的冷却效率，冷却均匀性也好于传统直流道。
(a)传统直流道
(b)随形冷却流道
图7 传统直流道与随形冷却流道冷却时间的模拟
图8为利用MPI模拟软件模拟的模具模型在不同冷却条件下的变形结果。由图9可以看出，采用随形冷却流道杯子小于采用传统直流道的翘曲和变形。采用随形冷却流道方法成形的零件变形小，且各部分比较均匀。
(a)传统直流道
(b)随形冷却流道
图8 传统流道与随形冷却流道冷却均匀性对比
3.3硬度及可加工性测试
对于潜伏式浇口，传统加工方法是采用机加工方法加工成形后对浇口各瓣进行拼接 。这样在拼接处会存在缝隙，注塑时，塑料会进入缝隙内，导致浇口表面不光滑，浇口退出时遇到阻力，容易断在模具内，且加工时间较长。采用AM成形整体式潜伏浇口，然后用电火花进行精细加工的方法，既节约了时间，又保证了浇口表面的完整性和光滑度。实物图如图9所示。
图9 精密注塑的小型潜伏式浇口实物图
对AM成形的注塑模具用的潜伏式浇口零件进行硬度测试发现其硬度较低，只有25HRC。分析表明，在AM成形过程中，上层激光扫描时，会对下层已经熔化凝固的金属加热，形成一个退火效应，导致零件的硬度较低。通过对成形零件进行硬化后处理，其硬度可达到40HRC，基本符合成形模具零件的要求。
选用日本牧野AF3 EDM机床，采用石墨电极对潜伏浇口的表面进行光洁处理。先对零件进行粗加工，该工件需要采用C轴旋转加工，由于该工件的预留量只有0.15 mm，粗加工时采用石墨电极加工，加工参数跟标准件的参数一样，粗加工时间为35min/件。放电过程同常规加工没有区别，加工过程比较稳定。粗加工完成后进行精加工，精加工时，由于放电加工过程极不稳定，因此积碳现象频繁。加工难度较常规材料加工难度大一些。
3.4导热性能
采用 TC-7000H型激光热导率测量仪器对试样进行热导率测定，测试结果如表3所示。其中1号为全致密的不锈钢固体样品，2号和3号样品为SLM成形的试样。其中2号试样测试的导热方向为z轴方向，3号样品测试方向为水平方向。由表1可以看出，由SLM制备的零件热导率稍微低于致密样品的热导率，这是由于在SLM样品中，存在一些微小的不连通的小孔，这些小孔阻止了热量的传导，导致金属零件的热导率降低。2号和3号样品热导率相差不大，不过2号样品的热导率稍高于3号样品的热导率，这是由于在成形过程中，基板没有采取加热措施，基板温度始终处于较低的温度，而且基于激光熔池本身的传热特征, 凝固始终自熔池底部向熔池顶部进行, 而在凝固过程中液态金属与其固相基底始终保持接触, 熔池与基底界面处的形核过冷最低, 提供了很好的形核基底, 从而导致熔池随后的冷却凝固过程呈现出典型的外延柱状生长特点。在上层激光熔化过程中，热量从上向下形成一个梯度，导致金属在结晶时，形成垂直基板的方向，导致金属零件在z轴方向上，热导率要高于水平方向的热导率。
表1 SLM成形的316L的导热性能
3.5注射成形
将处理好的模具进行装配，装配好的模具装在注塑成形机上进行注塑成形试验（图10）。塑料采用ABS，注射压力为120 MPa，保压时间为10 s，冷却时间设为5 s，注射完成后取出产品，产品表面光洁，无缺陷。经过30次注射后测量模芯温度为46°，模具各部分温差在1°左右。
图10 SLM制备的模具与模具注塑现场
4结语
增材制造与传统制造技术复合，可以在优势上进行互补。对于我国航空航天、模具等关键领域，复杂化与个性化零部件整体制造已成为一种发展趋势，传统制造方法中需要使用模具或机械加工制造，其周期长且成本高，利用AM技术可以无需模具直接制造出空间形状非常复杂的结构，与传统铸造、熔模以及等静压工艺结合，可以在短时间内制造出航空航天、模具等领域所需的关键零部件，大大地节约了传统技术中成形所需关键零部件的的制作时间，缩短了生产周期。但是，目前AM技术与传统行业互补并不深入，还有待更深入的研究。首先，应加大产研合作，加快商业化材料与设备的研发，提升原材料的品质与性能，解决材料与设备对增材制造与传统工业相结合的限制，促进增材制造在传统制造领域中的应用。其次开发增材制造与传统技术结合的新领域，为增材制造与传统制造业的结合带来更多的机会与应用场合。最后，应完善行业标准，传统工业在引进增材制造工艺后应加入新的评价标准，有利于更好地规范行业和促进行业发展。目前增材制造在实际生产中多用于小批量复杂构件，还尚未形成较大的产业规模，而与传统制造业相结合将会给增材制造产业规模化带来契机。
单位简介：
材料成形与模具技术国家重点实验室是国家在材料成形、新材料和模具技术领域建设的国家重点实验室。面向国民经济和国防建设中的重大需求，围绕材料制备与成形领域的基本科学问题和学科前沿，开展应用基础研究和技术创新，突破关键科学技术问题，促进成果应用，在引领行业发展、以及国民经济和国防建设中发挥不可替代的作用。
实验室现有固定研究人员71人，其中教授62人，副教授6人。实验室现已拥有中国工程院院士2名、杰出青年基金获得者5名、长江特聘教授2名、青年长江1名、优秀青年基金获得者2名、教育部新世纪人才10名，教育部创新团队2个，湖北省创新团队4个。近年来，共投资近亿元建设了先进的材料测试分析平台、精密成形研究平台、材料制备研究平台、快速成形研究平台。
实验室已在材料成形过程模拟理论与方法、数字化模具设计制造技术、快速成形与快速制模技术、精密成形工艺与装备、先进材料制备与应用等主要研究方向上形成了鲜明的特色和优势，取得了一系列突出成果。先后获得了国家自然科学奖、技术发明奖和科技进步奖10余项，省部级奖励50余项。其中，激光烧结成形技术方面的研究成果还被两院院士评为2011年中国科技十大进展。近几年来，共发表SCI学术论文1500余篇，获授权发明专利200余项。研究成果已在国内2000余家企业、研究机构或高校中获得应用，解决了航空航天、汽车、家电、机械等领域的成形制造技术难题，促进了行业技术进步，在国民经济和国防建设中发挥了重要的作用。与此同时，实验室的国际影响力也在不断增强，研究成果被国际学术界评价为相关领域发展历史上的里程碑，研究团队被誉为是一支富有创新能力的研究队伍，并被国际知名公司评选为“全球最佳创新合作伙伴”。
快速制造中心主要开展塑性成形制造技术与装备、增材制造（亦称为“3D打印”）技术与装备、三维测量技术与装备、等静压近净成形技术、生物制造技术与装备等六个方面的教学和科研工作，并取得了一系列成果。获国家奖5项、省部级一等奖10余项、省部级二等奖10项余、专利奖4项、团队人才奖10余项、研究生学位论文奖10余项；获发明专利60多项；发表论文800多篇，被三大索引收录500多篇；出版专著教材10余部；培养博士80多人、硕士400多人。有关研究成果被两院院士评为“2011年中国十大科技进展”，并入选“2017年全国十大高校重大成果转化项目”、“2016年湖北高校十大科技成果转化项目”。
通信作者简介：
史玉升，1962年生，华中科技大学华中学者领军岗特聘教授。现任数字化材料加工技术与装备国家地方联合工程实验室（湖北）主任，国防科技创新特区主题专家组首席科学家，中国增材制造产业联盟专家委员会委员，中国机械工程学会增材制造分会副主任委员，世界3D打印联盟副理事长、湖北省3D打印联盟理事长等职务。获中国十大科技进展1项、国家技术发明二等奖1项、科技进步二等奖2项、省部级一等奖和二等奖各5项、国际发明专利奖2项、湖北省优秀专利奖1项、湖北高校十大科技成果转化项目1项。获中国发明创业奖特等奖暨当代发明家、中国科学十大杰出创新人物、十佳全国优秀科技工作者提名奖、国家政府特殊津贴、武汉市科技重大贡献个人奖、湖北省五一劳动奖章等称号。领导的团队分别入选湖北省和教育部创新团队，指导的研究生获全国优秀博士论文提名奖1篇、湖北省优秀博士论文5篇、湖北省优秀硕士论文3篇。
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