作者：Petra Nolis（德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)）

　　復(fù)雜的金屬部件是否可以高效、可重復(fù)地進(jìn)行3D 打印？德國(guó)亞琛的研究人員可以肯定地回答這個(gè)問(wèn)題。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的科學(xué)家們，將二維極高速激光材料沉積（EHLA）轉(zhuǎn)移到一個(gè)改進(jìn)的五軸CNC 系統(tǒng)中，用于復(fù)雜部件的增材制造。

　　通過(guò)將EHLA 工藝擴(kuò)展到三維，該研究所可以3D 打印難以焊接的材料，如工具鋼、鈦、鋁和鎳基合金。幾十年來(lái)，兩種激光工藝一直主導(dǎo)著金屬部件的打印和涂層。直接工業(yè)金屬3D 打印的主導(dǎo)技術(shù)，是26 年前由該研究所獲得專利的基于激光粉末床融合（LPBF）工藝。在這里，激光熔化了一小部分基材并將粉末轉(zhuǎn)化為固體層，以冶金方式粘附在基材上。通過(guò)這種方式，3D 組件從粉末床逐層生長(zhǎng)。

　　激光材料沉積（LMD）也被證明是一種特殊類型的有效表面技術(shù)。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，可以在部件表面形成熔池，填充材料、金屬絲或粉末被連續(xù)引入熔池。該熔池熔化基材和填充材料，從而在層和組件基材之間形成冶金結(jié)合。

　　搶救昂貴的部件

　　經(jīng)濟(jì)潛力一方面在于用功能層升級(jí)基本部件的可能性，或者進(jìn)行局部的、附加的部件修改。LMD 的第二個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是維修，即從航空航天工業(yè)或工具制造中回收昂貴的部件。使用LMD進(jìn)行局部包覆后，磨損或有缺陷的部件可以再次重新使用。

　　LMD和LPBF已成為基于金屬的不可或缺的增材制造技術(shù)，因?yàn)樗鼈兙哂刑囟ǖ墓に噧?yōu)勢(shì)：LMD 由于高生產(chǎn)率而具有吸引力，而LPBF 可用于極細(xì)和復(fù)雜組件的3D 打印。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和亞琛大學(xué)數(shù)字增材制造于2012 年聯(lián)合開發(fā)了超高速激光材料沉積，開創(chuàng)了全新的局面。

　　快速涂層的國(guó)際成功

　　來(lái)自萊克蒙德（荷蘭）的Hornet Laser Cladding B.V. 將激光源、EHLA 加工頭和粉末進(jìn)給系統(tǒng)集成到車床中，以在工業(yè)過(guò)程中使用這項(xiàng)技術(shù)。通快也將該工藝納入產(chǎn)品組合，并為EHLA工藝提供激光設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)。首批用戶包括荷蘭、中國(guó)、德國(guó)和土耳其的公司。2015 年，這項(xiàng)技術(shù)在海上領(lǐng)域取得了突破。從那時(shí)起，許多數(shù)百米長(zhǎng)的液壓缸都涂上了耐磨和耐腐蝕合金，在世界各地的海洋環(huán)境中使用。

　　2019 年，在快速可靠地為制動(dòng)盤、活塞、氣缸和軸承涂覆涂層方面取得了進(jìn)一步成功之后，這項(xiàng)技術(shù)向三維加工前進(jìn)。研究所前研究助理Jonathan Schaible 參與了進(jìn)一步的發(fā)展：他處理了將EHLA 與高速3D 打印相結(jié)合必須滿足的特殊要求的問(wèn)題。

　　與此同時(shí)，他的繼任者M(jìn)in Uh Ko 繼續(xù)在經(jīng)過(guò)改良的五軸CNC 系統(tǒng)上完善了工藝工程，該系統(tǒng)將高精度與高進(jìn)給率結(jié)合起來(lái)，用于使用EHLA的增材制造、自由涂層和部件維修。“EHLA3D 結(jié)合了500-2000μm 厚的LMD 生產(chǎn)力，和具有30-100μm厚層的LMD 結(jié)構(gòu)定向、精確構(gòu)建，”激光技術(shù)研究所LMD 增材制造和修復(fù)小組組長(zhǎng)Min Uh Ko 解釋道，“EHLA 3D 處于50-300μm 的中間范圍。”

　　接近最終輪廓

　　低稀釋區(qū)和高冷卻速率有利于該工藝。由于這些特性，由難以焊接的材料和多材料配對(duì)制成的組件可以實(shí)現(xiàn)額外生產(chǎn)。該過(guò)程顯示了這項(xiàng)技術(shù)在3D 打印中的優(yōu)勢(shì)。Ko 解釋道：“使用EHLA 3D，可以高效制造已經(jīng)非常接近最終輪廓的部件。除了所謂的近凈成形外，該過(guò)程還可以快速精確地構(gòu)建，以及在自由曲面上涂覆涂層。”

　　在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的形狀，這只有在適當(dāng)?shù)募夹g(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)控程序路徑規(guī)劃下才有可能。效率來(lái)自于激光設(shè)備開啟時(shí)的加工時(shí)間與總加工時(shí)間的比率。Schaible 的調(diào)查證明了這一點(diǎn)。在50m/s² 的加速度和50m/min 的進(jìn)給率下，距離為100mm，效率M-PDE（與機(jī)器有關(guān)的粉末沉積效率）約為80%。在10m/s² 的加速度下，M-PDE 約為40%。

　　用廢舊粉末進(jìn)行可靠的3D 金屬打印

　　該工藝的另一個(gè)特點(diǎn)是效率高。由航空材料Inconel 718制成的部件在五軸數(shù)控系統(tǒng)上以超過(guò)2 公斤/ 小時(shí)的沉積速度進(jìn)行3D 打印，密度超過(guò)99.5%。亞琛大學(xué)的研究人員還調(diào)查了當(dāng)用回收的金屬粉末而不是新的金屬粉末工作時(shí)，特性值是如何變化的。在這兩種情況下，抗拉強(qiáng)度約為1300 兆帕。

　　Ko 解釋說(shuō)：“在這兩種情況下，抗拉強(qiáng)度原來(lái)都和鑄造一樣好。”科學(xué)家Schaible 也得到了相同的答案，他的工作包括316L 不銹鋼和鋁硅合金部件的EHLA 3D 工藝開發(fā)。在這里，獲得的機(jī)械性能也與常規(guī)生產(chǎn)的樣品一致。目前，使用EHLA 3D生產(chǎn)的薄壁鋁制部件的結(jié)構(gòu)分辨率約為500μm。

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