激光輔助加工能否解決金屬基復合材料零件制造的難題？山高在英國開展的一個令人興奮的項目已經找到了答案。近年來，鈦和碳化硅鋁等金屬基復合材料（metal matrix composites，簡稱MMCs）已成為一種可提供傳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開始探索利用這些復合材料制造可降低油耗、提高可持續性和控制成本的零件。但 MMC 很難加工。因為它們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。它們包含的硬質材料被較軟的基體包圍，因此很難均勻加工，這意味著表面質量很差。這對如此貴重的高性能材料是不利的，而且它們容易在局部區域產生強烈的熱量，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磨損。這樣既昂貴又浪費。
THERMACH 項目：為什么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、激光專家 Optek 和 Attenborough Medical 共同參與了一項令人興奮的研究計劃，希望能夠實現這一目標。
THERMACH 是一個由英國、瑞典、奧地利和加拿大參與的研究聯盟，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面及策略。不過，激光方面的研究前景尤為廣闊。
山高公司的研發技術負責人Mark Walsh解釋說：“使用熱加工技術，激光會加熱切削工具刃口前端的材料，從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志榮（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的主要企業進行研究，他們與山高有著長期的合作關系。
廖志榮說：“我們以前曾使用激光輔助加工鎳合金，為航空航天工業客戶取得了成功。”
“我們已經開發出一種策略來控制激光束，并將其聚焦在相同的溫度和材料分布上。這種方法非常成功，因此我們決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于英國一家專門從事金屬復合材料研究的公司 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：“我們一直在為航空航天領域的各種高性能應用開發鈦復合材料，例如起落架。”
”通過在鈦中加入碳化硅纖維增強材料，我們可以使該材料的硬度與鋼相當，但強度卻比單純的鈦高得多。在起落架應用中，由于陶瓷纖維的壓縮特性，它實際上比鋼更輕、更強。“
”它很好，因為它非常堅固，但要將其加工成最終部件的凈形狀卻是一項挑戰。因為纖維太硬，纖維的移動意味著斷裂。“
Kyle-Henney 補充說，碳化硅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 最初解決這個問題的辦法是將纖維嵌入材料中，這樣就不需要加工，但這降低了制造和維修的靈活性。
他說：“諾丁漢大學在先進加工技術方面有著悠久的歷史，無論是與航空航天工業合作開發加工技術，還是與山高公司合作開發與加工技術相匹配的模具技術，都是為了優化速度、效率和質量。”
“我們提出的要求可能會讓人感到意外，但團隊確實做出了回應。從歷史上看，當我們嘗試加工它時，它看起來就像是用農田里的耙加工出來的，而不是一個工程學加工后表面！現在看起來，它確實是加工出來的。”
該項目很快就將進入最后階段，但展望未來幾年，在該解決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方面是繪制熱曲線圖。Aw 正在分析激光如何加熱材料，以及陶瓷纖維與金屬的加熱方式有何不同。陶瓷碳化硅纖維的熔點為 3000 攝氏度，而鈦的熔點為 1600 攝氏度。
Kyle-Henney說：“你試圖均勻加熱的東西并不希望被均勻加熱。”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，這樣就可以加工更復雜的形狀。在這方面，Optek 公司在激光和機器人技術方面的專業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
主要潛在優勢：航空航天可持續性、醫療設備制造
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，這個位于諾丁漢的項目肯定能滿足要求：
“我們可以為飛機起落架提供的材料只有鋼材重量的一半。我們計算過，僅這一個部件每年就能減少 6 萬噸二氧化碳排放。這相當于僅起落架一項，全球飛機起落架的重量就可能減少 900 萬千噸。如果將其應用到所有不同的部件上，將產生巨大的可持續發展效益。如果我們能減輕發動機、飛機結構和起落架的重量，就能在燃油效率方面獲得巨大收益。"
他還補充說："在飛機的運營層面上，與傳統材料相比，成本的微小差距可以通過節省燃料在 12 到 18 個月內收回，并在未來 20 年內繼續為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，想象一下我們扔掉 800 公斤或更多的高價值材料——它們都是廢物了。”
“我們的部件加工成本也較高，陶瓷纖維也增加了成本，但你只需扔掉 20 至 50 公斤，因此你可以通過減少損耗來抵消成本。這只是 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的汽輪機，甚至是醫療行業（Attenborough公司為醫療設備生產陶瓷配件）。
Mark Walsh說，山高很高興能夠參與這個項目。“可持續發展是我們的核心價值觀之一，我們希望為節能和減少切屑廢料的解決方案做出貢獻，即使這意味著減少加工。我們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，并且能夠證明生產效率和制造成本，我們就可以將其推向市場。”
“未來幾年，隨著產量的增長，我們的材料將更加標準，加工也將更加標準。這方面的潛力巨大。”
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