摘要：

闡述了激光直接金屬堆積成形技術(shù)的原理、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了激光直接金屬堆積成形技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況、研究熱點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀。闡述了激光直接金屬堆積成形技術(shù)存在的主要問(wèn)題，并對(duì)該技術(shù)的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了展望。

1引言

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著快速原型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的發(fā)展，利用快速原型的“分層制造”思想，采用激光熔覆進(jìn)行金屬零件直接成形逐漸成為制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在隨后十多年時(shí)間里，誕生了多種類似的工藝方法，如激光近形制造(LENS)^[1-3]、直接激光制造(DLF)^[4-5]、激光熔覆成形(LCF)、激光金屬成形(LMF)^[6]、選擇激光熔化(SLM)。盡管名稱有所不同，但它們的原理和工藝卻相差不大，即先在計(jì)算機(jī)上建立零件的三維CAD模型；利用切片軟件將模型按一定的厚度分層“切片”，將零件的三維數(shù)據(jù)信息離散成一系列二維輪廓信息；分層后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，傳給數(shù)控系統(tǒng)，生成數(shù)控代碼，控制工作臺(tái)的移動(dòng)及激光束的運(yùn)行軌跡；激光束按預(yù)定軌跡對(duì)實(shí)時(shí)供給的金屬粉末（同軸送粉或側(cè)向送粉）進(jìn)行逐層掃描、熔覆，最終堆積出所需形狀的三維實(shí)體金屬零件或僅需少量后續(xù)加工的近形件。此技術(shù)采用實(shí)時(shí)粉末供給，逐層熔凝，多層堆積的方法，為和逐層鋪粉方式的選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)相區(qū)別，在此將其稱為激光直接金屬堆積(Direct Metal Deposition,DMD)成形技術(shù)。利用該技術(shù)可直接制造難加工的硬質(zhì)合金零件和復(fù)雜模具，已成為先進(jìn)制造技術(shù)一個(gè)重要分支。

#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#2 DMD成形系統(tǒng)

圖1激光直接金屬堆積成形零件示意圖

激光直接金屬堆積成形技術(shù)是一項(xiàng)集CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、材料科學(xué)等為一體的先進(jìn)制造技術(shù)，以下從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩方面對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。

2.1硬件系統(tǒng)

DMD成形系統(tǒng)的硬件部分主要包括激光器、送粉系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、成形室及氣體保護(hù)系統(tǒng)等。

目前主要使用的激光器主要有二極管激光器、CO₂激光器和Nb∶YAG激光器，波長(zhǎng)分別為#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#808nm、1.06µm和10.6µm，功率一般在幾百瓦到幾十千瓦不等。

送粉系統(tǒng)主要包括送粉器、輸送管道和送粉噴嘴等，一般采用惰性氣體作為粉末載氣。金屬粉末注入熔池的方式有側(cè)向和與激光束同軸兩種，因同軸送粉能保證材料沿圓周方向均勻注入熔池，在DMD系統(tǒng)中得到了較多采用^[7]。

伺服控制系統(tǒng)主要是需要實(shí)現(xiàn)x、y軸的聯(lián)動(dòng)控制，z軸的高精度定位和極限檢測(cè)等功能。為了適應(yīng)各種復(fù)雜零件的成形以及提高制造精度，許多先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備和機(jī)床開(kāi)始用于激光成形系統(tǒng)。如James B. Taylor的激光制造系統(tǒng)^[8]，采用了五軸數(shù)控機(jī)床設(shè)備，通過(guò)控制成形的方位，從很大程度上消除或減輕了臺(tái)階效應(yīng)，減小了制造誤差。

成形室是激光和材料相互作用的地方，一般有預(yù)熱、氣體保護(hù)等裝置，用來(lái)干燥金屬粉末，同時(shí)防止金屬粉末發(fā)生氧化。也有的DMD系統(tǒng)不采用專門的成形室，而采用向熔池吹氬氣、氮?dú)獾确椒▉?lái)隔絕熔融金屬跟空氣的接觸，防止金屬氧化而影響成形件表面質(zhì)量。

2.2軟件系統(tǒng)

DMD的軟件部分主要集中在零件造型、數(shù)據(jù)處理和工藝監(jiān)控等方面。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

零件造型既可以采用比較成熟的設(shè)計(jì)軟件如Unigraphics、Pro/E、Solid Works、AutoCAD等在計(jì)算機(jī)上直接構(gòu)造出零件的幾何模型，也可以使用CT、MRI等反求技術(shù)來(lái)獲得現(xiàn)有零件的三維CAD模型。

數(shù)據(jù)處理部分負(fù)責(zé)將CAD模型轉(zhuǎn)化為STL文件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷、檢驗(yàn)及修復(fù)，然后分層切片，確定路徑填充模式，生成數(shù)控代碼。其中，STL格式是三維設(shè)計(jì)軟件與成形軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的常用格式，該格式采用三角形面片來(lái)擬合三維CAD模型，通用性好、應(yīng)用方便；路徑填充模式是為激光頭或機(jī)床設(shè)計(jì)的掃描運(yùn)動(dòng)方案，目前多采用的填充模式主要有光柵式掃描、輪廓偏置式掃描和碎片式掃描等^[9-10]；分層切片是將零件模型從3D數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為2D輪廓信息的必經(jīng)途徑，目前多采用等厚和自適應(yīng)兩種切片方式^[11-12]。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

工藝監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)對(duì)成形系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制，完成整個(gè)造形過(guò)程。

3研究發(fā)展歷史

激光直接金屬堆積成形技術(shù)的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)70年代末期關(guān)于激光多層熔覆的研究。1979年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心（UTRC）的D.B.Snow等人^[13]進(jìn)行了鎳基高溫合金的激光多層熔覆研究，通過(guò)調(diào)整鎳基高溫合金的成分，提高了合金的抗裂性，制造出渦輪盤模型的近形件。當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)水平較低，零件的3D建模及分層切片等圖形處理技術(shù)還較困難，該技術(shù)還不具備發(fā)展為實(shí)用技術(shù)的條件。在80年代末，美國(guó)能源部同時(shí)資助了Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和密歇根大學(xué)進(jìn)行基于激光熔覆的快速制造研究。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，由于快速原型技術(shù)的發(fā)展和激光熔覆技術(shù)的成熟，激光直接金屬堆積成形技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展的階段。世界上眾多的研究機(jī)紛紛進(jìn)入到這一領(lǐng)域，研究?jī)?nèi)容日益系統(tǒng)化。其中比較具有代表性的有：美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、密歇根大學(xué)、AeroMet公司、GE公司、加拿大激光中心、英國(guó)伯明翰大學(xué)、利物浦大學(xué)、瑞士洛桑理工學(xué)院等。

國(guó)內(nèi)關(guān)于激光直接金屬成形的研究起步較晚。較早的有1997年西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東教授獲得航空科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助，與北京航空工藝研究所聯(lián)合進(jìn)行了激光快速成形的基礎(chǔ)研究工作。從1998年開(kāi)始，國(guó)際上關(guān)于此類研究的文獻(xiàn)報(bào)道急劇增加，特別是在美國(guó)召開(kāi)的國(guó)際材聯(lián)大會(huì)，使激光直接金屬成形技術(shù)成為熱點(diǎn)，大大促進(jìn)了中國(guó)在這一領(lǐng)域的研究，北京有色金屬研究總院、清華大學(xué)等單位都相繼開(kāi)展了這方面的研究，內(nèi)容涉及成形理論、工藝、設(shè)備、軟件、材料等各方面^[14-15]。“十五”期間，國(guó)家對(duì)激光直接金屬成形技術(shù)研究的支持力度明顯加大，先后在973國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃專題、863國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃和總裝備部“十五”預(yù)先研究項(xiàng)目上進(jìn)行立項(xiàng)。

總體來(lái)講，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)在#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#DMD硬件系統(tǒng)、工藝手段、理論等方面的研究能力日漸提高。目前，國(guó)內(nèi)從事這方面研究的機(jī)構(gòu)主要有：中國(guó)有色金屬研究院、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)激光中心、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所以及通用電氣（中國(guó)）研究開(kāi)發(fā)中心等。

4研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1材料和工藝

目前，DMD成形中所用的材料主要有鈦合金、不銹鋼、高溫鎳基合金以及銅合金等。其中，鈦合金是高溫環(huán)境下的首選材料之一，尤其在航空和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于其常溫下較低的延展性和韌性，加工比較困難，而采用DMD技術(shù)能夠直接制造出三維鈦合金零部件；相對(duì)鈦合金而言，不銹鋼合金因?yàn)榫哂休^好的性價(jià)比，在國(guó)內(nèi)金屬快速成形研究領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用，其中使用較多的有316L、2Cr13等；Ni基合金具有較好的耐腐蝕和抗高溫性能，但硬度高、容易加工硬化，常規(guī)加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，也是DMD常用的研究材料之一；此外，根據(jù)生產(chǎn)需要，充分利用了高能激光束的優(yōu)點(diǎn)，一些研究人員研制開(kāi)發(fā)了一些新的材料體系，突破了現(xiàn)有材料體系難以滿足需要的瓶頸。

DMD的工藝參數(shù)與激光熔覆的工藝參數(shù)基本一致，主要包括激光功率、掃描速度、光斑尺寸、搭接率、送粉速率、氣體流量等。這些工藝參數(shù)是相互關(guān)連的。要得到均勻、平整、無(wú)缺陷，性能優(yōu)良的金屬成形件往往要優(yōu)化這些參數(shù)，使之達(dá)到最優(yōu)組合。國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)成形工藝進(jìn)行了大量研究，取得了不少成果。如英國(guó)伯明翰大學(xué)的D.Srivastava^[16]、Xinhua Wu^[17]等對(duì)多種鈦合金零件成形以及如何獲得穩(wěn)定成行件進(jìn)行了工藝參數(shù)的分析評(píng)價(jià)；英國(guó)諾丁漢大學(xué)的Guijun Bi等人^[18]進(jìn)行了316L粉末的直接激光堆積研究，分析了成形件的組織和性能，并建立了閉環(huán)工藝控制系統(tǒng)；美國(guó)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)鎳基超合金、工具鋼、鈦合金、鎢等材料的成形工藝也進(jìn)行了深入研究。

4.2成形質(zhì)量檢測(cè)分析

在直接金屬堆積過(guò)程中，材料經(jīng)歷了一個(gè)不均勻快速加熱和冷卻過(guò)程，因此成形件的組織和性能與傳統(tǒng)鑄造、車削零件的組織和性能會(huì)有所不同。對(duì)成形件質(zhì)量的檢測(cè)主要包括：成形精度、顯微組織、機(jī)械性能（硬度、耐磨損性能、拉伸強(qiáng)度、殘余應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度等）以及裂紋、氣孔等缺陷。國(guó)外學(xué)者的大量研究都表明DMD成形件性能相比于鍛造件無(wú)論是強(qiáng)度還是塑性均有顯著提高(如表1所示)^[19]。

表1金屬成形件力學(xué)性能數(shù)據(jù)

國(guó)內(nèi)學(xué)者在此方面也做了大量的基礎(chǔ)性工作，取得了許多成果，如華中科技大學(xué)曾曉雁等人研究發(fā)現(xiàn)激光熔覆直接制造的不銹鋼零件的力學(xué)性能等于甚至優(yōu)于相同成分的鍛造零件；激光直接制造的金屬拉伸試樣為韌性斷裂；激光功率密度偏小和氧化現(xiàn)象是導(dǎo)致缺陷的主要原因。

西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東等人^[20]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)鎳基自熔合金，熔覆層開(kāi)裂屬于冷裂紋范疇，是熔覆合金低延性及熔覆層內(nèi)應(yīng)力雙重作用的結(jié)果；對(duì)于316L不銹鋼合金，熔覆層開(kāi)裂屬于熱裂紋范疇，是熔覆合金在凝固時(shí)晶界處的殘余液相受熔覆層拉伸應(yīng)力作用所導(dǎo)致的液膜分離的結(jié)果；激光快速成形薄板上平行于激光掃描方向的殘余應(yīng)力σ_y以拉應(yīng)力為主；而垂直于激光掃描方向的殘余應(yīng)力σ_z作用相對(duì)較??；Ni20和316L不銹鋼激光快速成形件的強(qiáng)度與塑性已經(jīng)接近甚至超過(guò)同類合金的傳統(tǒng)鍛壓加工水平。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

4.3數(shù)學(xué)模型和過(guò)程仿真

激光直接金屬堆積成形是多參數(shù)、多過(guò)程（傳熱、傳質(zhì)）耦合作用的結(jié)果。為了獲得良好的成形質(zhì)量，必須了解溫度場(chǎng)變化、組織轉(zhuǎn)變、內(nèi)應(yīng)力變化及變形等許多問(wèn)題，而這些問(wèn)題僅僅靠實(shí)驗(yàn)手段是無(wú)法解決的，必須借助計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)。總的來(lái)講，由于成形過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型還比較簡(jiǎn)單，大部分還只是針對(duì)于單層熔覆或多層直薄壁墻的模擬仿真。如美國(guó)密歇根大學(xué)激光輔助制造中J.Mazumder教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組提出了送粉情況下激光熔覆計(jì)算模型^[21]，根據(jù)熔覆道截面呈半月形覆于基體上這一事實(shí)，將單道熔覆層假設(shè)為半圓柱型，得出了激光熔覆中，功率與熔覆半徑之間的關(guān)系式為：

             （1）

其中，T₀—粉末的原始溫度：T_m—粉末的熔點(diǎn)；P—激光功率；r—熔覆道截面半徑；C—粉末材料的比熱；L—熔覆材料的溶化潛熱；ρ—粉末的當(dāng)量實(shí)體密度；V—激光的掃描速度；f—粉末材料對(duì)激光的吸收系數(shù)。

國(guó)內(nèi)北京有色金屬研究總院的石力開(kāi)、席明哲等人#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#^[22]分別建立了模擬316L不銹鋼直薄壁件逐點(diǎn)堆積過(guò)程中溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)和形變的有限元模型。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析得出：700℃以上熔池的平均冷卻速率達(dá)到10³℃/s，240℃以下的冷卻速率僅為10℃/s；拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在基板與薄壁件界面處和薄壁件頂部，且拉應(yīng)力區(qū)的位置隨激光束的運(yùn)動(dòng)不斷變化；薄壁件“圣誕樹(shù)”臺(tái)階產(chǎn)生的原因是激光束掃描路徑的起點(diǎn)與終點(diǎn)處溫度場(chǎng)特征的不同和熔池溫度的差別。

此外，Anthony等人^[23]借助焊接物理學(xué)的研究成果，提出了在強(qiáng)激光作用下金屬熔池內(nèi)的熔體運(yùn)動(dòng)模型；Munari Pietro等^[24]根據(jù)激光在材料中的熱傳導(dǎo)機(jī)制得到了一維、二維和三維熱域模型，從而推導(dǎo)出一個(gè)溫度、覆層深度與時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)方程；Lemoine等^[25]考慮光束與材料的作用，得到了能量、送粉速率和掃描速度的數(shù)學(xué)模型；Berkir等^[26]通過(guò)Fourier分析提出了一個(gè)預(yù)測(cè)激光熔覆后試樣冷卻速率的理論模型；楊冼陳等^[27]建立了激光加熱熔池的物理模型，對(duì)激光熔池內(nèi)外的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算模擬。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

4.4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制

過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制對(duì)了解成形規(guī)律，提高成形件精度具有極大意義。目前，國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者、機(jī)構(gòu)都對(duì)這項(xiàng)研究給予了充分重視，并取得了很多初步成果。目前，對(duì)成形過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制主要是通過(guò)熔覆層厚度、熔覆層高度、熔池溫度、粉末流量和熔池紅外成像等監(jiān)測(cè)信號(hào)反饋來(lái)控制調(diào)整激光功率、光束掃描速度、送粉量和離焦量等工藝參數(shù)，將所監(jiān)測(cè)的對(duì)象限制在允許的范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)成形過(guò)程的閉環(huán)控制。

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用紅外線熱成像儀記錄了成形中整個(gè)工件的溫度廠場(chǎng)分布^[28]。采用高速攝影法測(cè)量了熔池中的溫度場(chǎng)和溫度梯度，通過(guò)監(jiān)控?zé)嵝盘?hào)，并結(jié)合傳感器和反饋算法以控制工藝參數(shù)和成形過(guò)程。此外，他們還進(jìn)行了監(jiān)測(cè)單層熔覆層厚度的研究，通過(guò)層厚信息反饋控制激光功率或掃描速度實(shí)現(xiàn)了單層熔覆厚度保持恒定并與設(shè)定值相等。

美國(guó)密西根大學(xué)J.Mazumder等人^[29]研究了對(duì)堆積高度檢測(cè)和控制的方法：將來(lái)自熔池的特定波段的光投射到有小孔的擋光板上，當(dāng)成形件高度達(dá)到預(yù)定的高度時(shí)，熔池發(fā)出的光將通過(guò)小孔投射到置于擋光板后方的光敏晶體管上產(chǎn)生電信號(hào)，在后續(xù)的堆積過(guò)程中，在已達(dá)到預(yù)定高度的區(qū)域停止堆積，使該處不再增高，直到成形件各部分高度均勻一致。

清華大學(xué)激光中心鐘敏霖等人^[30]對(duì)激光成形金屬零件過(guò)程中熔池溫度和熔覆層厚度的變化進(jìn)行了研究，提出了解決凹凸點(diǎn)問(wèn)題的閉環(huán)控制，通過(guò)傳感器來(lái)直接監(jiān)測(cè)金屬零件的堆積高度，進(jìn)而通過(guò)控制送粉量來(lái)保證制造過(guò)程中堆積高度的穩(wěn)定性。

4.5關(guān)鍵零件制造

DMD技術(shù)為先進(jìn)飛機(jī)和高推比發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵零件的研制及生產(chǎn)開(kāi)辟一條快速、經(jīng)濟(jì)、高效、高質(zhì)量的途徑。美國(guó)軍方對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注和支持，在其直接支持下，美國(guó)已率先將這一先進(jìn)技術(shù)實(shí)用化。目前，美國(guó)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#F22和F/A-18E/F飛機(jī)上的幾個(gè)關(guān)鍵零件已經(jīng)采用TC4鈦合金成形件，其成形效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制造方式(表2所示)^[31]。

表2 激光直接成形與傳統(tǒng)制造的綜合比較（航空盤形零件）

  為了提高零件制造的精度，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)控制軟件進(jìn)行改進(jìn)。到1999年為止，其零件的加工精度在X-Y方向已經(jīng)達(dá)到0.05mm，Z方向精度略低，為0.4mm，零件的表面粗糙度已經(jīng)達(dá)到6.25μm。但提高成形精度的同時(shí)降低了成形效率，其堆積速率僅為0.5立方英寸/小時(shí)。

#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#a) Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室   b) Michigan大學(xué)激光研究中心    c) AeroMet公司

圖2 國(guó)外部分研究機(jī)構(gòu)采用DMD技術(shù)制作的金屬零件及工模具

為了提高零件的制造效率，美國(guó)AeroMet公司采用了功率更大的CO₂激光器（14kW和18kW，而Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的YAG激光器僅為700W），并且其成形室的尺寸達(dá)到了能夠制造實(shí)用零件的程度（#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#3m×3m×1.2m）。通過(guò)這些改進(jìn)，該公司的制造效率比Sandia實(shí)驗(yàn)室有了明顯的提高，其單層沉積厚度達(dá)4mm，單道沉積寬度達(dá)13mm。由于堆積速率提高，使該較大體積零件的制造成為可能，產(chǎn)品達(dá)到近終形，且成分和性能已經(jīng)達(dá)到ASTM標(biāo)準(zhǔn)。AeroMet公司新安裝了一套工作空間為12m×12m×4m，激光功率達(dá)30kW的成形系統(tǒng)。目前已經(jīng)能夠整體制造5~6米的鈦合金復(fù)雜薄壁件。

此外，美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制造了Inconel690高溫鎳基合金零件，高度達(dá)356mm，平均表面粗糙度12μm^[32]，#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#制造的高致密零件接近最終形狀，機(jī)械性能接近、在某種情況下甚至超過(guò)傳統(tǒng)鍛造零件的性能。法國(guó)GERAILP的Pascal Aubry等人制造了較好精度和性能的Inconel718及Ti6Al4V成形零件。

4.6復(fù)雜形狀的模具制造

采用DMD技術(shù)快速制造金屬模具可以減少模具的開(kāi)發(fā)周期和生產(chǎn)成本，減少設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，提高制造效率，已經(jīng)成為模具技術(shù)研究的前沿課題。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)在此方面進(jìn)行了研究，已經(jīng)取得了一些成果。如J.Mazumde等人進(jìn)行了鋼模具直接成形的研究(如圖3所示)，發(fā)現(xiàn)基于DMD的模具制造對(duì)環(huán)境的影響很小，并且能量消耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)模具制造^[33]；Stanford大學(xué)的Prints采取逐層累加與五座標(biāo)數(shù)控加工相結(jié)合的方法，用激光將金屬直接熔凝成形，所制模具可獲得與數(shù)控加工相近的精度；清華大學(xué)激光快速成形中心成功制造了汽車底盤零件的模具^{#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#[34]}；西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院與太原鋼鐵有限公司精密配件廠將激光快速成型技術(shù)和整體石墨電極研磨機(jī)進(jìn)行集成，提高了模具精度^[35]。

5研究方向和應(yīng)用前景

DMD技術(shù)目前存在的主要問(wèn)題有成形工藝復(fù)雜難控，成形效率低，成形精度差等。要解決上述問(wèn)題，是該技術(shù)早日推廣開(kāi)來(lái)，需要從以下幾方面進(jìn)行研究：

(1)提高切片、數(shù)據(jù)處理精度，優(yōu)化掃描路徑，優(yōu)化工藝參數(shù)，建立成形過(guò)程監(jiān)測(cè)和反饋控制以提高成形精度；

(2)進(jìn)一步完善成形過(guò)程數(shù)學(xué)模型;

(3)研究吸收率高、成分穩(wěn)定、性能優(yōu)良的專用成形粉末;

(4)建立更大功率、更大體積的成形系統(tǒng)以提高成形速率。

DMD技術(shù)具有的無(wú)模具、短周期、低成本、高性能及快速響應(yīng)能力等特點(diǎn)，使其在以下領(lǐng)域具有極大應(yīng)用價(jià)值：

(1)維修與再制造領(lǐng)域：利用反求技術(shù)或零件的原始尺寸圖，可獲得零件受損部位的三維CAD模型，可以進(jìn)行缺損部位的精確修復(fù)和再制造；

(2)關(guān)鍵零件制造領(lǐng)域：DMD具有復(fù)雜形狀零件成形的能力，可以成為難加工材料成形的重要方法；

(3)快速模具制造領(lǐng)域：基于DMD的模具制造技術(shù)，可減少了模具的開(kāi)發(fā)周期和生產(chǎn)成本，提高制造效率；

(4)梯度材料制造領(lǐng)域：通過(guò)改變輸送粉末的成分，可在成形件的不同部位得到不同的材質(zhì)，獲得不同的性能，為功能梯度材料#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#/零件的制備提供了有效途徑。