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定向能量沉积工艺获得可靠性的新里程碑

2019-2-18 10:33:20 点击:

    谈到金属3D打印,我们关注的焦点通常是SLM粉末床选区激光熔化金属3D打印技术,而容易忽略定向能量沉积-DED技术。DED技术由激光或其他能量源在沉积区域产生熔池并高速移动,材料以粉末或丝状直接送入高温熔区,熔化后逐层沉积,称之为激光定向能量沉积增材制造技术。而DED技术分类中的激光金属粉末沉积技术(laser metal deposition-LMD),则是以激光为能量源,并以金属粉末为加工材料。

       不仅仅专注于基于粉末床的选区金属熔化3D打印技术应用。西门子对激光金属粉末沉积技术也保有积极的开发与应用心态。近日,西门子与其合作伙伴开发出一种解决方案,可以比以前更有效地提高激光金属粉末沉积技术(laser metal deposition-LMD)中金属3D打印的工艺稳定性。该解决方案为不断发展的3D打印技术打开了应用深化的大门。


图片:激光金属粉末沉积技术(laser metal deposition-LMD),来源西门子

 释放速度与尺寸的局限

独特的优势

    众所周知,西门子关于3D打印的应用视野远远超出了其正在应用的涡轮燃气机及航空航天应用领域,就在去年,西门子还与Hackrod合作全球首款通过虚拟现实来设计的跑车。

       西门子对于3D打印的雄心壮志需要专心致志的研发力量来推动技术与应用的发展与结合。事实上,西门子正在加强推动3D打印技术的开发工作。在位于慕尼黑的西门子企业技术(CT)实验室,激光沉积焊接的过程中逐层构建金属组件,机器以不同的速度移动激光束,有时缓慢有时快速,通过这种方式,研究人员可以平滑不均匀的位置,这样就可以最终生产出更加完美的近净形零件。

      与SLM粉末床选区激光熔化金属3D打印技术不同的是,定向能量沉积-DED技术不依赖于压力室,压力室可以保护金属3D打印过程免受周围环境的影响。对于SLM粉末床选区激光熔化金属3D打印过程,工作区域必须首先充满惰性气体,这是一个耗时的过程。而对于定向能量沉积-DED技术分类中的激光金属粉末沉积技术(laser metal deposition-LMD)来说,3D打印加工过程可以立即开始,因为惰性气体直接从激光头流出并包围粉末流和熔池。

       此外,激光金属粉末沉积技术-LMD技术允许激光头和工件更灵活地移动,从而为增加设计自由度和生产更大的部件打开了大门 – 这在航空工业和涡轮机技术等领域具有潜在优势。

LMD通常不需要任何支撑结构,这方面与粉末床方法相比具有显着优势。

而且激光金属沉积适合加工合金。传统制造领域,双金属复合界面的结合方式多采用机械结合型复合或冶金结合型。LMD技术相比于传统加工工艺在双金属的加工方面具有着突出的优势。

鉴于这些优势,西门子企业技术(CT)实验室正在与西门子数字工厂部门合作,在工业生产中更加牢固地提升和应用LMD技术。

图片来源:西门子

对厚度多一点控制

     但是,在LMD充分发挥其潜力之前,还有很多工作要做。例如,该过程不如SLM精确。因此,成品部件通常必须进行再加工,这就解释了为什么LMD机器通常与工业设施中的铣床相结合。这种混合增材制造系统目前在全世界范围内获得了一些应用推广,包括为飞机涡轮发动机机和滚柱轴承生产精确的部件。

考虑到定向能量沉积金属3D打印技术的这一缺点,西门子现在专注于如何使混合增材制造系统更快,更经济地运行。具体来说,他们正在研究LMD工艺的关键部分:如何更有效的控制金属层的厚度,这决定了3D打印部件的尺寸。这些厚度可能因多种原因而有所不同 – 例如,如果材料流以无计划的方式发生变化。再例如如果由机器人臂承载的打印头的速度波动,厚度也可能发生变化。

     为了解决这个问题,西门子企业技术(CT)实验室正在参与名为PARADDISE的欧盟开发项目,提高LMD3D打印工艺的可控性。除西门子外,该项目的成员还包括西班牙机床制造商Ibarmia,RWTH Aachen大学和Precitec,后者是德国激光材料加工和光学测量技术专家。

       亚琛工业大学为该项目的开发过程贡献了一项开创性的发明。该团队开发了一种控制技术,其中Precitec传感器可计算出已铺设的每个金属层的精确厚度。为了实现这一点,控制程序使用测量光学干涉的传感器来比较部件的计划高度与其实际高度。然后可以通过改变打印速度来调节层的厚度。这是一个里程碑式的结果,通过这种自动调节过程,使混合增材制造设备能够更快地生产组件,因为坯料需要较少的后处理。而且它还需要更少的能源和材料。这反过来又降低了高质量金属部件的制造成本。

图片来源:西门子

 DED技术突飞猛进

    DED定向能量沉积3D打印技术正在整体迎来技术发展过程中的里程碑。此前三菱电宣布开发出高精度定向能量沉积3D打印设备,2021年将实现商业化。三菱电机表示该技术的其中一个优势是显着提高了精度,与连续成型技术相比,精度提高了60%。此外,与传统技术相比,氧化问题可以减少20%以上,因为高温区域限于窄点形成区域。

     而关于定向能量沉积3D打印设备的加工速度与精度,德国Fraunhofer激光技术研究所开发了EHLA超高速激光材料沉积技术。根据3D科学谷的市场研究,该技术可用于涂层和修复金属部件。超高速激光材料沉积技术(EHLA)具有替代当前腐蚀和磨损保护方法如硬镀铬和热喷涂的潜力。并且EHLA方法加工出来的涂层是无孔的,从而改善粘合情况并降低裂纹和孔隙的发生的可能性。 除此之外,根据Fraunhofer,EHLA技术比热喷涂节约90%的材料。

此外,德国Fraunhofer 激光技术研究所还正在开发基于金属丝激光沉积的创新技术(wire-based laser metal deposition,LMD-W)。

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