當(dāng)一個(gè)模制、鍛制、壓鑄或沖壓的零件改變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，用于制造這些零件的模具也需要改變。直至最近，在對(duì)一個(gè)模具進(jìn)行重大改變中涉及的困難和花費(fèi)，經(jīng)常使得制造一個(gè)新的比修改舊的，還更具有成本效益。但如果通過(guò)使用結(jié)合激光和粉末金屬的過(guò)程，便能改變這種狀況。

這個(gè)過(guò)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(gè)模具的表面，產(chǎn)生一個(gè)小的熔化池，同時(shí)一個(gè)匯聚的細(xì)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(guò)這樣一層一層的疊加，將一個(gè)舊的模具填充成一個(gè)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(guò)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?yàn)椴牧虾芸炖鋮s，并且凝結(jié)成微細(xì)粒度的微觀結(jié)構(gòu)，因而它們比鍛制材料強(qiáng)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(guò)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(guò)軟件控制噴嘴進(jìn)給系統(tǒng)來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)。

由于激光產(chǎn)生的熱特別局限，所以模具的變形不成問題。這過(guò)程使模具的重新裝備更有成本效益，并給模具設(shè)計(jì)師提供新的機(jī)遇。該過(guò)程的另一個(gè)特點(diǎn)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(tǒng)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(guò)程，模具上可以加上復(fù)雜的冷卻道，符合零件的形狀，加快冷卻，減少了生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間。

如今比以前能更有效地把導(dǎo)熱材料加到模具上。如果一個(gè)銅陽(yáng)模裝入一個(gè)鋼模具中，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差很大，在模制過(guò)程中，模具的熱循環(huán)，使兩種材料之間急劇傳熱，會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。如使用這過(guò)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(guò)程也能用來(lái)涂敷涂層和進(jìn)行表面修整，免去傳統(tǒng)涂層和電鍍技術(shù)所固有的多孔性，而且涂層厚度或材料成分沒有限制。關(guān)于這過(guò)程的研究，始于二十世紀(jì)八十年代。在八十年代末期，General Electric專利的一種型式，已經(jīng)被美國(guó)南卡羅來(lái)納州的Huffman Corporation公司 (www.huffmancorp.com) 使用，用于制造和修理燃?xì)廨啓C(jī)零件的系統(tǒng)。這些Huffman 系統(tǒng)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(fā)了許多系統(tǒng)，用于醫(yī)療植入管和工具插入物。

軟件控制的激光在模具表面形成一個(gè)熔融池，
粉末金屬流被引入這池子時(shí)熔融，并疊加在這區(qū)域

自從二十世紀(jì)九十年代，在政府基金的支持下，許多學(xué)術(shù)研究所和研究實(shí)驗(yàn)室都巳對(duì)這過(guò)程作進(jìn)一步的開發(fā)。通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，至少有兩個(gè)公司已經(jīng)基于這些研究開發(fā)出了商品化的系統(tǒng)。

美國(guó)新墨西哥州阿爾伯克基(Albuquerque)的Optomec(www.optomec.com)， 在Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成的研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了它的激光設(shè)計(jì)凈形(LENS)系統(tǒng)。激光設(shè)計(jì)凈形(LENS)系統(tǒng)的首個(gè)商業(yè)版在1998年發(fā)貨。最近兩年，美國(guó)軍方在阿拉斯加州安尼斯頓(Anniston, Ala.) 的安尼斯頓軍需庫(kù)巳經(jīng)使用了一個(gè)Optomec系統(tǒng)，用于修理Abrams M1坦克的汽輪機(jī)零件。Optomec主要重點(diǎn)是航天航空工業(yè)，但也供應(yīng)其它應(yīng)用系統(tǒng)。

第二家公司——美國(guó)密歇根州的POM公司(www.pomgroup.com) 已經(jīng)商品化一種版本的技術(shù)是密歇根大學(xué)開發(fā)的直接金屬淀積。POM的主要重點(diǎn)是工藝裝備行業(yè)，他們的過(guò)程開發(fā)小組為用戶提供先進(jìn)的工藝裝備、工藝裝備重建和工藝裝備重新組態(tài)，而他們的機(jī)器設(shè)計(jì)和制造組為特殊用戶應(yīng)用和行業(yè)需要，設(shè)計(jì)、制造和安裝直接金屬淀積系統(tǒng)。

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

另一家公司——美國(guó)Fraunhofer公司(www.ccl.fraunhofer.org) 也與密歇根州立大學(xué)合作，在用戶工廠進(jìn)行新產(chǎn)品、工藝和應(yīng)用開發(fā)，包括設(shè)計(jì)和生產(chǎn)與試驗(yàn)系統(tǒng)的集成。Fraunhofer主要是工藝過(guò)程研究和開發(fā)實(shí)驗(yàn)室，也進(jìn)行生產(chǎn)。迄今，他們已經(jīng)發(fā)運(yùn)了用于表面硬化的系統(tǒng)，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(chǔ)上，每家公司都已各自開發(fā)并繼續(xù)開發(fā)自己的專利元件和技術(shù)。每個(gè)系統(tǒng)的核心是一個(gè)激光器。

“現(xiàn)在使用的有4種不同的激光器，”Optomec的激光設(shè)計(jì)凈形系統(tǒng)(LENS)產(chǎn)品經(jīng)理Richard Grylls說(shuō)。”CO2和nd:YAG(摻釹釔鋁石榴石)是較老的技術(shù)，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(jìn)一步設(shè)計(jì)，把它們集成到激光設(shè)計(jì)凈形(LENS)系統(tǒng)，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(duì)于激光器來(lái)說(shuō)是很高的。它們與材料有很好的偶合性，激光質(zhì)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(xué)和其它元件中。”

Huffman已經(jīng)使用CO2和nd:YAG兩種激光器，在它的最新系統(tǒng)中將使用IPG光纖維激光器。Fraunhofer在它的最新系統(tǒng)中也使用IPG激光器，而POM使用德國(guó)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(gè)系統(tǒng)中最貴的元件。

激光粉末熔接系統(tǒng)中的另一個(gè)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(guò)切片分層CAD設(shè)計(jì)來(lái)決定，然后編程激光器，一層一層堆上材料。但是，許多應(yīng)用需要更復(fù)雜的軟件。

“我們修理的渦輪葉片無(wú)論何處都不再接近它們?cè)瑿AD檔案的形狀，”Hulfman公司總裁Roger Hayes說(shuō)。”因此，我們對(duì)每個(gè)葉片都要作逆向工程。我們的視頻系統(tǒng)掃描葉片，與CAD原形作比較，然后，基于特定葉片的凈差，開發(fā)激光器的獨(dú)特路徑。軟件大約需要1秒來(lái)計(jì)算工具路徑，然后我們能開始焊接。我們開發(fā)視頻和逆向工程系統(tǒng)花了很長(zhǎng)時(shí)間，但這是需要的，因?yàn)槲覀兛偸巧婕昂軓?fù)雜的形狀。”

有興趣使用這種新技術(shù)的公司有3個(gè)選擇：雇用上述4家公司之一，以服務(wù)的形式展開該工作；自這些公司買一個(gè)系統(tǒng)，內(nèi)部做這項(xiàng)工作；或開發(fā)他們自己的專利系統(tǒng)。而開發(fā)一個(gè)專利的系統(tǒng)并不是件容易的事情。

“準(zhǔn)確了解怎樣操作這個(gè)過(guò)程，比只有一臺(tái)機(jī)器更重要，”Hayes說(shuō)。“我們能把一臺(tái)機(jī)器給某個(gè)單位，他們用10年，但可能仍不能正確使用。”

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)好時(shí)，它能高質(zhì)量工作，每天工作24小時(shí)，每周工作7天，但調(diào)整要花些時(shí)間。Anniston軍方的軍需庫(kù)，提取它的第2臺(tái)Optomec系統(tǒng)時(shí)，即使它當(dāng)時(shí)已經(jīng)有了兩年多使用第一臺(tái)機(jī)器的經(jīng)驗(yàn)，但它仍然在4個(gè)月之后才把第2臺(tái)機(jī)器調(diào)整好。這是很正常的，因?yàn)橐旰玫卣{(diào)整好一個(gè)特定的過(guò)程是很復(fù)雜的。

當(dāng)一個(gè)用戶購(gòu)買一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，他們不僅買了一臺(tái)機(jī)器和軟件。每個(gè)公司都要與它的客戶合作，來(lái)共同開發(fā)生產(chǎn)客戶零件所需的工藝過(guò)程。這公司經(jīng)常要在該客戶的現(xiàn)場(chǎng)安裝系統(tǒng)，與客戶合作完善這過(guò)程，從而當(dāng)客戶簽收系統(tǒng)時(shí)，他們需要作的只是按按鈕和開始生產(chǎn)合格的零件。

IPG已經(jīng)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(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，同時(shí)由一個(gè)激光器來(lái)運(yùn)行?，F(xiàn)今有可能通過(guò)從激光器到各種機(jī)器的光纖維電纜，同時(shí)只從一個(gè)光纖維激光器來(lái)運(yùn)行激光刀、激光熔接機(jī)和幾個(gè)激光粉末熔接系統(tǒng)。這就能把該激光器的高成本分?jǐn)傇趲着_(tái)機(jī)器上，每臺(tái)機(jī)器不需要專用的激光器。

該技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，但它正在發(fā)展成為一種獨(dú)持的工具，使模具制造廠、模具修理廠和其它廠家能有成本效益地解決加工問題。而這些問題的解決至今仍然需要很高成本或以前根本無(wú)法解決