解决了变形、尺寸及 生产周期难题的大型混合式钢嵌件

Linear AMS公司是3D打印服务平台Shapeways中一家注塑和压缩工具制造商以及定制模塑商。从2003年开始运营时，公司就采用金属增材制造技术创造利润了。最初，他们采用3D打印制造金属零件，精心设计细节及几何形状，因此免除了电火花加工环节。但到了2005年，Linear公司从EOS北美公司购买了一台直接金属激光烧结打印机——那是北美地区的第2台DMLS——因为另一家率先购买EOS金属增材制造打印机的公司是航空航天客户的竞争对手，众多航空航天公司纷纷找到Linear，希望了解机器的加工效果。

EOS公司专为DMLS工艺配制的28种纯金属和金属合金粉末，能够满足法规要求，具有批次可追溯性，加工数量灵活，可快速交付。（图片来源：EOS公司）

很快，Linear团队可以非常熟练地设计、以金属增材制造技术实现保形冷却/加热的模具零件了。他们每年生产数百个模具零件——不仅为自己，还为整个北美地区其他模具制造商供货。到2015年，拥有135名员工、15台金属增材制造打印机（以及几种聚合物增材制造机型）的Linear公司，已成长为可提供更多金属3D打印服务的供应商，不再只是传统的工具制造商了。之后它被一家位于纽约的国防承包商和投资者短暂收购，又于2017年被Linear的创始人/所有者和一位商业伙伴重新收购回来，条件是签署一份将其金属增材制造加工限制在汽车及机床装备领域的两年竞业禁止协议。

2020年竞业禁止协议到期后，Linear公司扩大了位于美国密歇根州利沃尼亚市占地5110m²的厂区，在那里设计机床工具和模具嵌件，打印金属增材制造零件，还在密歇根州夏洛特市购入一家占地9290m²的成型工厂，提供定制化注塑成型服务。去年，按需数字制造平台Shapeways公司并购了Linear公司。作为一家全球聚合物和金属增材制造服务机构，Shapeways公司可提供快速原型制造及精加工零件，并向传统制造服务领域扩展。这两家公司合并后，就能整合增材制造和减材制造这两个领域的加工经验，为全球更多行业的客户提供更多的产品和服务。现在，Linear公司为汽车/地面运输、消费品/家电、工业、医疗、石油和天然气、包装和空间/国防领域的客户提供服务。

由于金属3D打印技术可以实现传统机械加工或钻孔无法实现的那种无可比拟的设计自由度，令保形冷却/加热通道更好地沿着复杂的零件轮廓铺设，进一步接近需要较好热控制效果的模具形腔，消除热/冷点，这是传统挡板、喷管等设备难以或无法达到的。（图片来源：Linear AMS公司）

Linear公司位于利沃尼亚市的工厂正在对CAE业务进行150万美元的升级，还在建设一个合作中心，以加强与客户的合作。这家工厂拥有2台EOS M 280 直接金属激光烧结（DMLS）打印机、2台GE Arc增材制造 Q20电子束熔化（EBM）打印机、2台Desktop Metal公司出品的Shop System金属粘合剂喷射打印机。此外，公司还拥有3台惠普MJF 4210多喷融合打印机、6台EOS SLS P系列选择性激光烧结（SLS）打印机，可以满足聚合物增材制造客户的需求，今年还将为生产线添置3台打印机。

凭借近20年的经验，Linear团队利用增材制造和传统减材制造优势，开发出一些创新技术，成效显著。
例如，所有DMLS模具零件均采用MS1/马氏体钢生产。通过一个简单的热时效硬化过程热处理这种合金，打印具有优良硬度、强度和良好耐腐蚀性的零件。在这些使用频率极高的打印机上只加工一种金属，就能减少交叉污染的风险和更换时间，而且Linear公司只从EOS公司处购买这些3D打印材料。

Linear AMS公司最初只是一家注塑和压缩工具制造商和定制模塑商，但很快就开始涉足设计和生产包含保形冷却/加热通道的金属增材制造模具组件专业领域。今天，Linear可以为自己及其他模具制造商设计、打印金属增材制造模具嵌件。（图片来源：Linear AMS）

“早期，我们试过在自由市场上采购增材制造金属粉末，结果比较失望，”Linear公司高级业务开发主管David Myers解释说，“所以我们从那时起做了一项内部规定，从打印机供应商处采购所需全部增材制造金属材料，以实现生产的一致性，控制质量，实现产品批次的可追溯性。这对所有客户都非常重要，特别是航天、国防领域的客户。EOS提供的那些性能可靠、可重复加工的金属材料令我们对零件的整体质量充满信心，他们的服务也无可挑剔。”

在近二十年的金属增材制造历程中，Linear公司研发出一种混合解决方案，以生产模具嵌件。使用DMLS打印机时，需要搭一个打印床，在它上面将工件持续打印起来，打印完毕后通常会用电火花加工掉这个打印床。但是Linear公司采用304/不锈钢或P20钢制打印床，先将水、油管道铺好。因为保形冷却/加热通道已连到向外的冷却/加热电路上，现在只要去除打印床上不必要的部分即可。这样既能节省时间精力，还能实现最好的增材制造及减材制造性能。

Linear团队还研发出一项关于设计、打印每个零件以减少内部应力的知识技能，例如，基于激光的金属增材制造打印技术会产生有显著内应力的零件，在后打印工序中容易翘曲。Myers说：“我们在设计流程前端就与模具制造商紧密合作，通过在增材打印阶段先确定打印床上的最佳零件方向来解决这些问题，同时还要确定是否采用增材制造技术制出额外细节特征，便于机床车间采用最有效的方法来保持/固定零件，以满足其精加工要求。此外，不管是否需要额外的热处理或硬化工序，我们都对嵌件做了应力消除，以防止变形和加工后的移位。”

质量三角

因为在DMLS领域已深耕30多年，EOS公司充分认识到原材料对高质量零件生产的重要性。因此，他们为EOS M2系列打印机配制了28种纯金属和金属合金粉末，专为满足DMLS工艺的打印参数以及零件最终使用环境下的物理、机械和化学要求。

EOS北美公司汽车增材制造专家Jon Walker说：“针对使用我们的DMLS技术进行金属3D打印的客户，我们设计了大量的高科技材料组合。我们的质量控制型材料供应链——从最初的材料采购到最后的成品交付——能确保这些成品符合相关的法规要求，具有批次可追溯性，数量灵活，交货迅速，还有专家团队提供额外技术支持。我们所有的材料、工艺参数和金属3D打印机都经过优化调整，可重复实现客户零件制造所需的可靠性能。我们称之为EOS质量三角，是我们的DMLS技术独有的特色。”

图上是Linear AMS公司在密歇根州利沃尼亚工厂的两台EOS M 280 DMLS金属增材制造设备。其中一台用来打印一个铁路绝缘子零件成型项目要求的大型MS1型腔嵌件。（图片来源：Linear AMS）

目前用于EOS工艺的金属粉末有：铝合金、钴铬合金、铜、镍合金、贵金属、难熔金属、钛、不锈钢、表面硬化钢以及合金工具钢（包括MS1、1.2709、CX和CM55）。仅在MS1/马氏体钢这个类别中就有五个不同等级。据EOS公司报告，其研发团队正在努力扩大金属粉末的范围，力图将青铜、纯铜、铜合金、金属玻璃和轻质合金也囊括进来。

上图是Linear公司采用MS1/马氏体钢在DMLS打印机上设计、生产的一款形状复杂的保形冷却嵌件，打印机和材料均来自EOS北美公司。（图片来源：Linear AMS）

据说在供应链的每个环节上，EOS公司对自己提供的每种金属增材制造材料都做了细致的品控措施。那些材料配方能够高效、重复地在3D打印零件中产生所需特性，满足最苛刻的行业标准。例如，每批EOS工具钢粉末都配有EN 10204-3.1检验证书，展示质量保证（QA）测试结果，不仅测试粉末本身，还测试在专用DMLS打印机中采用专用工艺制造的零件。为了更透明地展示效果，EOS还对针对每种材料的3D打印技术适用程度（TRL）做了排名。

增材制造和减材制造工艺的优点

Linear公司将增材制造和减材制造工艺结合起来实现优良加工效果，在近期一个铁路行业项目上体现地淋漓尽致。在这个项目中，需要用单腔单门油冷机床来注塑具有三种不同长度的高压电绝缘子，用于纽约市公共交通局铁轨切换系统。这些绝缘子的形状好似巨大的蘑菇，顶盖处是封闭的，下棱直径是123mm，平均棱长270mm，平均重量60g。Linear团队是在位于夏洛特市的成型工厂重达880吨的注塑机上，采用60%的玻璃纤维/矿物强化聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）材料配方来将这些绝缘子成型的。这个项目遇到了众多技术挑战。
Myers解释说：“这款机床需要保形冷却。我们在修改了零件的几何形状，确保它仍具有可制造性后，研究了科锐系统有限公司提供的Moldex3D分析软件制出的热图，锁定了热点。我们提前预测到零件的顶部、底部及不同厚薄区域间存在明显的温度差，会让零件变形，这个问题需要解决。我们必须想出控制尺寸的最佳方法，尤其需要考虑使用结晶性聚合物这个因素。我们还需要既能延长机床使用寿命，防止研磨性聚合物磨损，又能满足生产周期要求。针对这种尺寸的零件，我们需要一个非常大的嵌件。”

Linear团队先研发出一款铝制原型机床，证实了可行性，然后利用他们学到的知识经验，进一步修改零件和机床的几何形状，实现了更好的成型条件，同时还能满足客户的性能要求。然后他们开始制造一台钢制量产机床，3D打印用于实现零件几何形状的嵌件。要制出这款嵌件，需要一个面积达到250×250mm的打印床。这款嵌件的最终高度达到了325mm，几乎与Linear公司EOS M 280机床的Z轴高度齐平。完成后的嵌件几乎占据了量产机床的整个核心区。通过巧妙的模具设计，Linear团队采用可互换的模具嵌件，从一种零件尺寸快速切换到另一种，就能制出三种不同长度的零件。

目前公司正在加紧进行绝缘子量产项目，同时也在进行至少两个相关的铁路项目。事实证明，采用保形冷却技术缩短生产周期，可实现与预测一样好的性能结果，甚至能比预测更好。

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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