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▲哈默MPA42將增材堆疊與高精度加工兩相結合。
哈默公司全新的MPA42實現的目標聽起來似乎很矛盾：毛坯件離開加工區域時，質量非但沒有減少，反而明顯增加。“MPA”這個簡稱揭示了它的工作原理：“Metal-Powder-Application(金屬粉末應用)”，這是一項哈默公司在大約七年前開始研發并推向市場的工藝。通過新一代的機床，堆疊式制造工藝在精度和速度上有了顯著的提高。
新的MPA42機床位于地處德國奧托布倫市(Ottobrunn)的哈默機床制造有限公司(HermleMaschinenbauGmbH(HMG))。這家公司是我們德國貝托特·哈默機械制造股份公司(MaschinenfabrikBertholdHermleAG)的全資子公司，自2009年起在德國巴伐利亞州開展業務，經過多年，它已經發展成為一家增材制造的服務提供商。
HMG公司總經理魯道夫·丹特(RudolfDerntl)打開了MPA42機床上隔音罩的門，門后隱藏著一臺經過大量改裝的C42U五軸加工中心。在主軸旁邊，有一個噴嘴伸向工作區域，但沒有看到冷卻潤滑劑噴灑裝置。“拉瓦爾噴嘴以加速度噴出粉末，并將粉末直接涂抹應用在夾持著的金屬毛坯上。”丹特解釋說。
超熱蒸汽和氮氣與噴嘴的幾何形狀一樣重要，它們將粉末加速到超音速，并在沖擊時通過變形進行粘結。在設備的后部，安裝了一臺蒸汽發生器和五臺粉末輸送機，所有的應用材料和坯料必須具有相同的延展性能。
“由于應用的原理是塑性變形，所以它可以與各種金屬一起工作。因此，半成品的表面也必須具有延展性。”這位總經理指出。除了含碳量高的熱成型鋼和冷成型鋼外，還使用了銅和耐蝕耐熱銅合金。
用于注塑模具的材料混合
▲銑出口袋后，C42UMPA將銅粉涂抹上去，隨后，多余的材料再次被去除。
銅的散熱速度明顯快于加工工具鋼，因此，對于注塑模具的設計來說，鋼和銅的材料組合具有決定性的優勢：“通過增材制造，我們將銅引入到模具中那些沒有冷卻通道空間的部位。在注塑過程中，銅芯將熱量傳導到近的冷卻通道，比鋼的速度快得多。這樣就為用戶節省了寶貴的幾秒鐘的冷卻時間，并提高了塑料件的表面質量，”丹特解釋說。
加工中心的五個軸允許粉末幾乎以任何角度噴射向零件，從而提供大的設計自由度。有了這項技術，冷卻通道可以直接建在毛坯的曲面上，因此，較大的注塑模具也可以得到充分的冷卻，而不必對整個零件都使用堆疊制造。
唯一的限制是C42U的工作空間。“根據幾何形狀的不同，增材工藝的尺寸限制是長、寬各600毫米。但通常情況下，零件都比較小，”丹特解釋說，這臺機床也特別適合生產圓柱形或錐形零件，比如冷卻的預腔噴嘴。通過在旋轉的零件上涂抹材料，有效地填充口袋和管道，然后用工具鋼封閉起來。
除了實現高效冷卻外，MPA工藝還提供了實現其它一些有趣的應用可能性。許多材料通過這種沖擊壓實的方式之后，零件表面可以順利地打磨出高光澤度。因此，HMG公司甚至可以滿足用戶對注塑模具的高要求。
通過使用MPA工藝，加熱絲或腔體溫度監測傳感器等功能元件也可以嵌入到鋼或銅之中，從而集成到模具中——完美的變溫控制。除注塑外，MPA技術在其他應用中也得到了回報。“以集成加熱元件的膠水噴嘴為例，通過模具中的傳感器，粘合劑在整個噴嘴寬度內都可以保持理想的加工溫度。通過這種方式可以實現真正的溫度控制。”魯道夫·丹特解釋說。
了解哪些材料組合是合理的，如何實現冷卻通道和功能元件的效果，以及如何設計一體式模具：這是HMG公司的優勢所在。“我們賣的不是機器，而是技術。”總經理表示。這支來自奧托布倫的團隊為模具設計者提供建議，建立3D模型，并使用冷卻通道、功能元素，或多材料組合來優化使用該模型制造出來的注塑件。“我們正在尋找縮短周期時間和提高零件質量的方法，而這是使用其他技術難以實現的。”丹特說。
▲粉末輸送機安裝在設備的后部，可以方便從外部重新裝填。
用來涂抹和去除的軟件
應用工程師可以使用自己的CAM軟件生成機床控制代碼，它不僅定義了路徑運動，還定義了粉料數量、指定溫度，以及材料在堆疊和銑削之間的交替。“由于沒有一家CAD/CAM制造商能夠繪制特殊的交替過程——銑削、堆疊、銑削——于是我們編寫了自己的軟件。作為一個額外的好處，我們現在可以及時滿足客戶的特殊要求，"總經理說，專家們就在隔壁坐鎮。
前期工作完成后，客戶將他的毛坯寄給HMG公司。“在95%的情況下，我們使用的是客戶在自己的銑床上準備好的半成品零件，”客戶顧問奧利佛·穆勒(OliverMüller)解釋說。
該零件在運抵奧托布倫時已經預制了冷卻通道或口袋，HMG的團隊檢查毛坯的尺寸精度，以及是否符合設計規格。“比如說，口袋必須沒有斜面，”穆勒說：“我們需要鋒利的邊緣來進行粉末應用。”
現在，熱潮來襲
▲為了達到的機器利用率，在生產開始前，半成品零件在加熱站中被加熱到工藝溫度。
在開始加工之前，零件在加熱站中被加熱到約300攝氏度，盡管該過程不涉及焊接，但它需要高溫，為了獲得更好的延展性能，必須對基材和金屬粉末進行加熱，蒸汽提供了加速粉末的能量。當這兩部分都通過噴嘴時，粉末達到工藝所需的超音速。
為了在加工過程中保持溫度恒定，MPA42會繼續加熱零件，直到后一個屑片被去除。“通過這種方式，我們可以防止溫度梯度造成的張力、撕裂或變形。”魯道夫·丹特澄清說。
在生產制造的過程中，材料的涂抹和去除交替進行。涂抹粉末后，再在新的材料中銑入精細的細節，冷卻通道中填充水溶性金屬材料，并通過MPA工藝用一層鋼來進行封閉。"隨后，我們會在水浴中沖洗出填充材料，以獲得所需的腔體，"穆勒解釋道。粉末噴射器可以實現每小時200到400立方厘米的堆疊速度，而對于銅甚至可以到達近1000立方厘米。
▲在冷卻通道中注入水溶性金屬粉末后，再涂抹下一層金屬粉末。
"有了這新機床，我們保持在時代的先端，把MPA技術提升到一個新的性能水平。而這，正是我們服務的核心。"總經理強調。對他來說，重要的是在公司內部規劃所有流程——從咨詢、優化和可行性測試，到材料檢驗，以及終的質量檢查。"這讓我們可以未雨綢繆，保護我們自己和客戶的專有技術。"
哈默機床制造有限公司(HMG)位于德國慕尼黑附近的奧托布倫市，是德國貝托特·哈默機械制造股份公司的子公司。他們專注于代工制造領域新技術的基礎研究和開發。這幾年來，我們還利用我們的專利MPA工藝為大批量零件的生產提供拓展衍生的生產能力，這是一項為哈默客戶提供的專屬服務。
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