激光輔助加工能否解決(jue) 金屬基複合材料零件製造的難題？山高在英國開展的一個(ge) 令人興(xing) 奮的項目已經找到了答案。近年來，鈦和碳化矽鋁等金屬基複合材料（metal matrix composites，簡稱MMCs）已成為(wei) 一種可提供傳(chuan) 統金屬所缺乏的低重量和高強度的理想混合材料。航空航天和汽車行業(ye) 開始探索利用這些複合材料製造可降低油耗、提高可持續性和控製成本的零件。但 MMC 很難加工。因為(wei) 它們(men) 通常含有堅硬的增強材料部分，如陶瓷顆粒或纖維，所以具有磨損性。它們(men) 包含的硬質材料被較軟的基體(ti) 包圍，因此很難均勻加工，這意味著表麵質量很差。這對如此貴重的高性能材料是不利的，而且它們(men) 容易在局部區域產(chan) 生強烈的熱量，導致熱變形和工具很早失效。刀具磨損極快，加工效果差，傳(chuan) 統的刀具加工方法根本無法勝任。多晶金剛石切削材料可以加工 MMC，但加工不到幾次就會(hui) 磨損。這樣既昂貴又浪費。

THERMACH 項目：為(wei) 什麽(me) 激光輔助的方案可以大顯身手

答案可能就在激光輔助加工上。在歐洲 THERMACH（thermal machining，熱加工）項目的支持下，山高公司、諾丁漢大學、先進材料公司 TISICS、激光專(zhuan) 家 Optek 和 Attenborough Medical 共同參與(yu) 了一項令人興(xing) 奮的研究計劃，希望能夠實現這一目標。

THERMACH 是一個(ge) 由英國、瑞典、奧地利和加拿大參與(yu) 的研究聯盟，在過去的四年中一直在研究激光和感應輔助加工技術的不同方麵及策略。不過，激光方麵的研究前景尤為(wei) 廣闊。

山高公司的研發技術負責人Mark Walsh解釋說：“使用熱加工技術，激光會(hui) 加熱切削工具刃口前端的材料，從(cong) 而使材料塑化或熔化，使切削刀具更容易通過。”

諾丁漢大學是該項目的研究中心，該項目由英國國家投資機構 INNOVATE UK 資助。諾丁漢大學副教授廖誌榮（Dr Zhirong Liao）博士和 Omkar Mypati 是諾丁漢大學團隊的主要成員。十多年來，諾丁漢大學一直在研究 MMC，包括代表航空航天業(ye) 的主要企業(ye) 進行研究，他們(men) 與(yu) 山高有著長期的合作關(guan) 係。

廖誌榮說：“我們(men) 以前曾使用激光輔助加工鎳合金，為(wei) 航空航天工業(ye) 客戶取得了成功。”   

“我們(men) 已經開發出一種策略來控製激光束，並將其聚焦在相同的溫度和材料分布上。這種方法非常成功，因此我們(men) 決(jue) 定將其推廣到更難加工的材料上。”他補充道。

研究的起源

這項特殊研究的催化劑來自於(yu) 英國一家專(zhuan) 門從(cong) 事金屬複合材料研究的公司 TISICS。該公司總經理Stephen Kyle-Henney同時也是 THERMACH 項目英國研究部門的項目經理。

他說：“我們(men) 一直在為(wei) 航空航天領域的各種高性能應用開發鈦複合材料，例如起落架。”

”通過在鈦中加入碳化矽纖維增強材料，我們(men) 可以使該材料的硬度與(yu) 鋼相當，但強度卻比單純的鈦高得多。在起落架應用中，由於(yu) 陶瓷纖維的壓縮特性，它實際上比鋼更輕、更強。“

”它很好，因為(wei) 它非常堅固，但要將其加工成最終部件的淨形狀卻是一項挑戰。因為(wei) 纖維太硬，纖維的移動意味著斷裂。“

Kyle-Henney 補充說，碳化矽的硬度意味著即使使用山高更高強度的硬質合金材質的刀具，磨損率也非常高，因為(wei) 雖然材料在被切削，但刀尖也在被快速磨損，這在經濟上是不可行的。TISICS 最初解決(jue) 這個(ge) 問題的辦法是將纖維嵌入材料中，這樣就不需要加工，但這降低了製造和維修的靈活性。

他說：“諾丁漢大學在先進加工技術方麵有著悠久的曆史，無論是與(yu) 航空航天工業(ye) 合作開發加工技術，還是與(yu) 山高公司合作開發與(yu) 加工技術相匹配的模具技術，都是為(wei) 了優(you) 化速度、效率和質量。”

“我們(men) 提出的要求可能會(hui) 讓人感到意外，但團隊確實做出了回應。從(cong) 曆史上看，當我們(men) 嚐試加工它時，它看起來就像是用農(nong) 田裏的耙加工出來的，而不是一個(ge) 工程學加工後表麵！現在看起來，它確實是加工出來的。”

該項目很快就將進入最後階段，但展望未來幾年，在該解決(jue) 方案可大規模擴展之前，仍有一些工作要做。Attenborough Medical 公司的 Jensen Aw 目前正在研究的一個(ge) 方麵是繪製熱曲線圖。Aw 正在分析激光如何加熱材料，以及陶瓷纖維與(yu) 金屬的加熱方式有何不同。陶瓷碳化矽纖維的熔點為(wei) 3000 攝氏度，而鈦的熔點為(wei) 1600 攝氏度。

Kyle-Henney說：“你試圖均勻加熱的東(dong) 西並不希望被均勻加熱。”能夠做到這一點的建模技術非常了不起。這是一項了不起的工作。

還有一種可策略是，不將激光固定位置，而是通過機器人移動，這樣就可以加工更複雜的形狀。在這方麵，Optek 公司在激光和機器人技術方麵的專(zhuan) 業(ye) 知識發揮了重要作用。

激光輔助熱加工 MMC

激光輔助熱加工矩陣

主要潛在優(you) 勢：航空航天可持續性、醫療設備製造

像這樣的研究項目總是需要實實在在的收益。在這種情況下，Kyle-Henney說，這個(ge) 位於(yu) 諾丁漢的項目肯定能滿足要求：

“我們(men) 可以為(wei) 飛機起落架提供的材料隻有鋼材重量的一半。我們(men) 計算過，僅(jin) 這一個(ge) 部件每年就能減少 6 萬(wan) 噸二氧化碳排放。這相當於(yu) 僅(jin) 起落架一項，全球飛機起落架的重量就可能減少 900 萬(wan) 千噸。如果將其應用到所有不同的部件上，將產(chan) 生巨大的可持續發展效益。如果我們(men) 能減輕發動機、飛機結構和起落架的重量，就能在燃油效率方麵獲得巨大收益。"

他還補充說："在飛機的運營層麵上，與(yu) 傳(chuan) 統材料相比，成本的微小差距可以通過節省燃料在 12 到 18 個(ge) 月內(nei) 收回，並在未來 20 年內(nei) 繼續為(wei) 航空公司節省燃料成本。”

當然，加工過程本身也更加高效，浪費比傳(chuan) 統加工少得多。

“起落架的強度來自鍛件。這些鍛件可以長達 1.5 米，寬達 300 毫米。然而，90% 的鈦最終都被加工掉，變成了金屬屑。每公斤鈦的成本是 60 英鎊，想象一下我們(men) 扔掉 800 公斤或更多的高價(jia) 值材料——它們(men) 都是廢物了。”

“我們(men) 的部件加工成本也較高，陶瓷纖維也增加了成本，但你隻需扔掉 20 至 50 公斤，因此你可以通過減少損耗來抵消成本。這隻是 10%到 20%的浪費。”

這種材料的其他潛在應用領域還包括能源行業(ye) 的汽輪機，甚至是醫療行業(ye) （Attenborough公司為(wei) 醫療設備生產(chan) 陶瓷配件）。

Mark Walsh說，山高很高興(xing) 能夠參與(yu) 這個(ge) 項目。“可持續發展是我們(men) 的核心價(jia) 值觀之一，我們(men) 希望為(wei) 節能和減少切屑廢料的解決(jue) 方案做出貢獻，即使這意味著減少加工。我們(men) 也希望最大限度地延長刀具壽命。”

Stephen Kyle-Henney補充道，“如果這些高性能材料的最終用途能夠證明其用途和經濟性，並且能夠證明生產(chan) 效率和製造成本，我們(men) 就可以將其推向市場。”

“未來幾年，隨著產(chan) 量的增長，我們(men) 的材料將更加標準，加工也將更加標準。這方麵的潛力巨大。”