定向能量沉積工藝獲得可靠性的新里程碑

魔猴君  行業(yè)資訊   2094天前

談到金屬3D打印，我們關(guān)注的焦點(diǎn)通常是SLM粉末平臺(tái)選區(qū)激光熔融金屬3D打印技術(shù)，而容易忽略定向能量沉積-DED技術(shù)。DED技術(shù)由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積，稱之為激光定向能量沉積3D打印技術(shù)。而DED技術(shù)分類中的激光金屬粉末沉積技術(shù)（laser metal deposition-LMD)，則是以激光為能量源，并以金屬粉末為加工材料。

不僅僅專注于基于粉末平臺(tái)的選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)應(yīng)用。西門子對(duì)激光金屬粉末沉積技術(shù)也保有積極的開發(fā)與應(yīng)用心態(tài)。近日，西門子與其合作伙伴開發(fā)出一種解決方案，可以比以前更有效地提高激光金屬粉末沉積技術(shù)（laser metal deposition-LMD)中金屬3D打印的工藝穩(wěn)定性。該解決方案為不斷發(fā)展的3D打印技術(shù)打開了應(yīng)用深化的大門。

圖片：激光金屬粉末沉積技術(shù)（laser metal deposition-LMD)，來源西門子

-獨(dú)特的優(yōu)勢

眾所周知，西門子關(guān)于3D打印的應(yīng)用視野遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其正在應(yīng)用的渦輪燃?xì)鈾C(jī)及航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，就在去年，西門子還與Hackrod合作全球首款通過虛擬現(xiàn)實(shí)來設(shè)計(jì)的跑車。

西門子對(duì)于3D打印的雄心壯志需要專心致志的研發(fā)力量來推動(dòng)技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展與結(jié)合。事實(shí)上，西門子正在加強(qiáng)推動(dòng)3D打印技術(shù)的開發(fā)工作。在位于慕尼黑的西門子企業(yè)技術(shù)（CT）實(shí)驗(yàn)室，激光沉積焊接的過程中逐層構(gòu)建金屬組件，機(jī)器以不同的速度移動(dòng)激光束，有時(shí)緩慢有時(shí)快速，通過這種方式，研究人員可以平滑不均勻的位置，這樣就可以最終生產(chǎn)出更加完美的近凈形部件。

與SLM粉末平臺(tái)選區(qū)激光熔融金屬3D打印技術(shù)不同的是，定向能量沉積-DED技術(shù)不依賴于壓力室，壓力室可以保護(hù)金屬3D打印過程免受周圍環(huán)境的影響。對(duì)于SLM粉末平臺(tái)選區(qū)激光熔融金屬3D打印過程，工作區(qū)域必需首先充滿惰性氣體，這是一個(gè)費(fèi)時(shí)的過程。而對(duì)于定向能量沉積-DED技術(shù)分類中的激光金屬粉末沉積技術(shù)（laser metal deposition-LMD)來說，3D打印加工過程可以立即開始，因?yàn)槎栊詺怏w直接從激光頭流出并包圍粉末流和熔池。

除此之外，激光金屬粉末沉積技術(shù)-LMD技術(shù)允許激光頭和工件更靈活地移動(dòng)，從而為增加設(shè)計(jì)自由度和生產(chǎn)更大的部件打開了大門 – 這在航空工業(yè)和渦輪機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在優(yōu)勢。

LMD通常不需要任何支撐構(gòu)造，這方面與粉末平臺(tái)方法相比具有顯著優(yōu)勢。

并且激光金屬沉積適合加工合金。傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，雙金屬復(fù)合界面的結(jié)合方式多采用機(jī)械結(jié)合型復(fù)合或冶金結(jié)合型。LMD技術(shù)相比于傳統(tǒng)加工工藝在雙金屬的加工方面具有著突出的優(yōu)勢。

鑒于這些優(yōu)勢，西門子企業(yè)技術(shù)（CT）實(shí)驗(yàn)室正在與西門子數(shù)字工廠部門合作，在工業(yè)生產(chǎn)中更加牢固地提高和應(yīng)用LMD技術(shù)。

圖片來源：西門子

-對(duì)厚度多一點(diǎn)控制

但是，在LMD充分發(fā)揮其潛力之前，還有大量工作要做。例如，該過程不如SLM精確。因此，成品部件通常必需進(jìn)行再加工，這就解釋了為什么LMD機(jī)器通常與工業(yè)設(shè)施中的銑床相結(jié)合。這種混合3D打印系統(tǒng)目前在全世界范圍內(nèi)得到了一些應(yīng)用推廣，包括為飛機(jī)渦輪引擎機(jī)和滾柱軸承生產(chǎn)精確的部件。

考慮到定向能量沉積金屬3D打印技術(shù)的這一缺點(diǎn)，西門子現(xiàn)在專注于如何使混合3D打印系統(tǒng)更快，更經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。具體來說，他們正在研究LMD工藝的關(guān)鍵部分：如何更有效的控制金屬層的厚度，這決定了3D打印部件的尺寸。這些厚度可能因多種原因而有所不同 – 例如，如果材料流以無計(jì)劃的方式發(fā)生變化。再例如如果由機(jī)器人臂承載的打印頭的速度波動(dòng)，厚度也可能發(fā)生變化。

為了解決這個(gè)問題，西門子企業(yè)技術(shù)（CT）實(shí)驗(yàn)室正在參與名為PARADDISE的歐盟開發(fā)項(xiàng)目，提高LMD3D打印工藝的可控性。除西門子外，該項(xiàng)目的成員還包括西班牙機(jī)床制造商Ibarmia，RWTH Aachen大學(xué)和Precitec，后者是德國激光材料加工和光學(xué)測量技術(shù)專家。

亞琛工業(yè)大學(xué)為該項(xiàng)目的開發(fā)過程貢獻(xiàn)了一項(xiàng)開創(chuàng)性的發(fā)明。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種控制技術(shù)，其中Precitec傳感器可計(jì)算出已鋪設(shè)的每個(gè)金屬層的精確厚度。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，控制程序使用測量光學(xué)干涉的傳感器來比較部件的計(jì)劃高度與其實(shí)際高度。然后可以通過改變建造速度來調(diào)節(jié)層的厚度。這是一個(gè)標(biāo)志性事件式的結(jié)果，通過這種自動(dòng)調(diào)節(jié)過程，使混合3D打印設(shè)備能夠更快地生產(chǎn)組件，因?yàn)榕髁闲枰^少的后續(xù)工藝。并且它還需要更少的能源和材料。這反過來又降低了高質(zhì)量金屬部件的制造成本。

圖片來源：西門子

魔猴網(wǎng)總結(jié)：

-DED技術(shù)突飛猛進(jìn)

DED定向能量沉積3D打印技術(shù)正在整體迎來技術(shù)發(fā)展過程中的標(biāo)志性事件。此前三菱電宣布開發(fā)出高精度定向能量沉積3D打印設(shè)備，2021年將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。三菱電機(jī)表示該技術(shù)的其中一個(gè)優(yōu)勢是顯著提高了精度，與連續(xù)成型技術(shù)相比，精度提高了60%。除此之外，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，氧化問題可以減少20%以上，因?yàn)楦邷貐^(qū)域限于窄點(diǎn)形成區(qū)域。

而關(guān)于定向能量沉積3D打印設(shè)備的加工速度與精度，德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所開發(fā)了EHLA超高速激光材料沉積技術(shù)。根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場研究，該技術(shù)可用于涂層和修復(fù)金屬部件。超高速激光材料沉積技術(shù)（EHLA）具有替代當(dāng)前腐蝕和磨損保護(hù)方法如硬鍍鉻和熱噴涂的潛力。并且EHLA方法加工出來的涂層是無孔的，從而改善粘合情況并降低裂紋和孔隙的發(fā)生的可能性。 除此之外，根據(jù)Fraunhofer，EHLA技術(shù)比熱噴涂節(jié)約90％的材料。

除此之外，根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察，德國Fraunhofer 激光技術(shù)研究所還正在開發(fā)基于金屬線材激光沉積的創(chuàng)新技術(shù)（wire-based laser metal deposition，LMD-W）。