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下一代增材制造技术 The Next Level Of Additive Manufacturing

图 1对试验件的EDX分析揭示其内部成分从Merl72钴基合金向IN 718镍基高温合金的连续转变(黄色:钴,蓝色:镍,橙色:铝)。(版权所有:Fraunhofer IWS)

文:Christian Tenbrock  德国亚琛夫琅和费激光技术研究所激光粉末床熔融的集团经理

Andreas Thoss        THOSS Media首席执行官

工业激光解决方案编辑顾问

激光系统把金属粉末制成标准的机器零件,看起来还是有点未来主义。材料、加工时间和成本看起来也有点未来主义,这些均阻碍了增材制造技术在日常加工生产中的大范围应用,但这种情况可能很快就会改变。

六个弗劳恩霍夫的研究所正在合作开发一套解决方案,将增材制造提升到一个新的水平。在他们的弗劳恩霍夫灯塔项目“未来AM—下一代增材制造”中,他们计划将金属粉末增材制造的效率提升至少10倍。他们创建了一个可自由扩展的概念,来克打印体积的限制。他们正在考虑新的材料,并且想在一个具有数字影像的虚拟实验室跟踪整个打印过程。2020年夏天,该项目将结束,看起来所有的目标都已经实现甚至超过了。

利用人工智能开发新材料

为了实现这些雄心勃勃的目标,财团至少要遵循两个基本原则。首先,他们关注整个流程链。从设计到制造以及后处理,一切都是相关的,必须从整体上进行把关。在开发数字模型时,这一点尤其明显,稍后将讨论。

另一个原则是为流程链的每个步骤开发新的想法。首先要强调的是用于增材制造或金属基3D打印的材料。对这种材料进行生产鉴定是昂贵的;如果一种新材料被引入到一系列制造过程中,测试和测量的成本加起来高达六位数。此外,目前的应用,如涡轮叶片维修1,往往对材料的热性能和机械性能有着极端的要求,这使得对材料的选择过程至关重要。

弗劳恩霍夫材料与束流技术研究所(弗劳恩霍夫IWS;德累斯顿,德国)的科学家负责项目中的材料开发部分。他们积累了几十年的经验,例如,开发了用于增材制造的新型镍基合金。这种材料很难用传统方法以及焊接进行加工。优化增材制造工艺需要对各种参数(如温度、粉末或送粉速率)进行一系列复杂的测试。

这样的测试是乏味的,需要从不同的传感器传递大量数据。弗劳恩霍夫信息仓库的专家们引入了一个人工智能系统来有效地开发大数据。特殊的分析算法将传感器数据与研究所的粉末数据库连接起来,并评估进一步的工艺参数。渐渐地,机器学会了自己做决定。例如,他们可以确定是否允许焊接过程中温度的轻微上升,或者在整个组件最终成为废品之前,他们是否必须立即采取对策。

除了使用人工智能加快流程开发之外,弗劳恩霍夫IWS的专家们还面临着更多的挑战,例如多材料结构。例如,涡轮部件的不同区域暴露在不同的温度下。因此,在需要的地方可以使用昂贵的高电阻材料,但其余部分可以由其他粉末制成。利用激光材料沉积技术,可以将不同的粉末同时或连续地送入加工区,送粉速度可精确调节。这种成分的改变已经在几种不同的材料上进行了测试,如Inconel 718向Merl 72转变(图1)。目前的研究集中在从钛到铝的转变上。专家们还研究了这一程序如何对三个或四个组件的增材制造起作用。

使增材制造速度提高10倍

增材制造在工业制造中应用的另一个核心问题是生产率。那么,增材制造如何才能更快?在一台机器上并行生产多个零件是一个常见的答案,但也有其他更复杂的想法。

来自弗劳恩霍夫激光技术研究所(弗劳恩霍夫费ILT)和RWTH亚琛大学(都在德国亚琛)的团队已经开发出一种方法,在该方法中用于增材制造的金属粉末以粉末喷射的形式输送2。这一工艺的诀窍是粉末颗粒到达工件表面之前被高能激光束熔化。由于工件上的熔池是由材料的液滴而不是粉末的固体颗粒供给的,因此涂层过程可以更快,从传统激光材料沉积的0.5m/min上升到2m/min,高达500m/min。

这种被称为EHLA(在德语中,这意味着“Extremes hochgeschwindiggeits–Laserauftragschweißen”)的超高速激光材料沉积工艺在2017年和2018年获得了多个高级别行业奖项。2019年,该方法已用于长度达10m、直径达500mm的液压缸的批量生产。经用户证实,其成本与热喷涂相当。

EHLA工艺最初是为旋转零件的表面快速涂层而设计的。在弗劳恩霍夫实验室,这个想法被转嫁到一台新的机器上,在这台机器上,工件由三脚架移动,而激光和粉末喷嘴保持在固定的位置。这样,工件可以以高达200m/min的速度移动,同时粉末喷射保持不受干扰。通过调整工艺过程几乎可以任何表面构建三维结构,单层厚度可薄至30µm,横向特征的分辨率为100µm。

材料沉积速率经测试可高达3kg/min(50g/sec)。将激光功率进一步提升,甚至可能达到更高的沉积速率。与激光金属沉积相比,这种新工艺更精确,在材料中沉积的热量更少,可以进行难焊接材料的沉积。

克服空间限制

这种新的3D打印工艺介于两种已成熟的方法之间:激光金属沉积(LMD)和激光粉末床熔融(LPBF)。LMD是在现有表面上形成金属涂层的首选方法3。为了实现有效沉积,激光束熔化金属表面,将金属粉末送入熔池,形成新的材料层。这在维修硬金属工具或涡轮叶片经常用到。LPBF(也称为激光烧结、激光金属熔化或简单的3D金属打印)是根据CAD数据模型采用激光束熔化金属粉末打印全新的工件。这种工艺采用逐层叠加的方式,直到整个工件打印完成。

图2 EHLA头部的平台安装在新机器的中心。作为三脚架运动学的一部分,它可以在x-y和z方向移动。它安装在CFRP支柱(低移动质量)上以引导EHLV加工头在高精度直线电机的三根立柱上快速上下移动。(版权所有:Ponticon/Fraunhofer ILT)

在LPBF过程中,激光束沿着定义的轨迹在粉末床中打印金属轮廓(图2)。显然,使用多个激光束在一个粉末床中同时打印多个部件可以加速这一过程。典型的限制是打印体积,它受到保护气体流动稳定性的限制。保护气体用于去除打印过程中的副产物,如飞溅物或金属冷凝液。

弗劳恩霍夫ILT的专家们已经建造了一个新的激光加工头来克服这个限制。该系统使用具有五束激光和五个x-y扫描仪的多光束光学系统,允许同时处理五个激光光斑。此外,紧凑型喷头使用两个喷嘴作为惰性气体。通常,这种喷嘴将工作空间限制在600或700 mm以下。在更大的区域,可能会发生干扰。新的加工头用于一台体积为1000×800×500mm的样机(图3)。其中,头部控制200mm宽的打印空间,可应用于任何尺寸的工作腔。打印体积仅受线性轴的长度限制。在样机中,与传统的LPBF机器相比,生产率可以提高10倍。

图3弗劳恩霍夫实验室的科学家们开发了一种用于大型LPBF工作腔的新型加工头;样机采用1000×800×500mm的打印空间。(版权所有:弗劳恩霍夫实验室,亚琛)

除了新的硬件外,还开发了一个新的软件模块。它可以控制粉末的能量输入:工艺参数可以针对每个单独的熔化轨迹独立设置,以提高组件质量和成型速度。例如,此目标参数选择可以防止构件过热。这样,可以显著减少甚至完全消除悬梁结构中所需支撑结构的数量,它可以在构件的大面积范围内实现工艺效率的提升。

聆听工艺过程的声响

在机械车间里,从车床的声音很容易判断它运转是否平稳。令人惊讶的是,3D打印也出现了类似的效果。例如,当支撑结构脱落时,工件的振动模式会发生变化。弗劳恩霍夫ILT的研究人员在工作室内安装了超声波传感器,以研究此类事件的声音。

未来超声测量的实际研究将更进一步:脉冲激光将在构件中产生结构噪声,进而由激光测振仪检测。这可能有助于在工件上发现微小的毛孔,从而可以立即进行干预。例如,原位测量技术可以使有问题的区域按照新的程序进行再打印成为可能。

自动后处理

工业增材制造工艺的主要限制之一是所需的人工后处理量,占总工艺成本的70%。因此,将后处理从手动程序更改为全自动程序是该项目的主要任务。弗劳恩霍夫机床和成形技术研究所(弗劳恩霍夫工业大学;德国Chemnitz)的科学家负责了这一部分研究工作。

对于所有的后处理步骤,他们开发了各种自主的技术模块和单独的过程。例如,识别模块识别部件,附加传感器帮助定位。该模块从CAD文件中检索有关零部件的数字信息,然后在机器人的帮助下,根据指定的支撑结构开始切割过程。最后,两台激光线扫描仪测量每个加工过程,以便机器人在必要时可以对部件进行返工。

未来数字化

虽然流程链中的每一步都值得关注,但将它们联系在一起的却是软件。这包括过程链中每个部分和每个步骤的数据采集和处理。此外,它应该实现在一个国家或世界各地的不同地方进行分布式制造。

图4使用虚拟实验室中的数字影像,可以监视和模拟进程链中所有位置的进程。(版权所有:德国汉堡Fraunhofer IAPT)

为此,FutureAM项目中的合作伙伴开发了一个虚拟实验室(图4),通过网络和数据库将所有领域和所有相关合作伙伴进行数字链接。它将用于控制过程和跟踪分布式制造。

这个虚拟实验室包括用于模拟和跟踪的真实世界的数字地图:数字阴影使项目参与者能够建模和模拟过程,以便在制造的所有步骤中优化真实系统。根据Industry4.0的思想,该软件应能在3D金属打印的制造效率方面取得实质性进展。(李波 译)

参考资料

1. A. Thoss and S. Piegert, “Laser-based methods generate massive lead time reductions,” Industrial Laser Solutions, 34, 3, 28–30 (2019).

2. T. Schopphoven, A. Gasser, and G. Backes, “Extreme high-speed laser material deposition conquers industry,” Industrial Laser Solutions, 34, 1, 27–29 (2019).

3. D. Locke, “Laser metal deposition defined,” Industrial Laser Solutions, 25, 6, 6–9 (2010).

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