在過去幾十年中,有兩種基于激光的方法在增材制造領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位——第一種方法,是利用激光在粉末床的二維輪廓上構(gòu)建一個更大的三維結(jié)構(gòu);第二種方法是將材料沉積在表面上,然后用激光熔化,形成新的表面。與其他激光加工工藝相似,在精度和加工速度之間取得平衡至關(guān)重要。
專為超高速激光材料沉積(EHLA)技術(shù)而改裝的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床可在橫向上執(zhí)行高度動態(tài)和精確的工具運(yùn)動。該設(shè)備配有旋轉(zhuǎn)和傾斜工作臺,適用于快速成型制造和自由形狀表面涂層。(Fraunhofer ILT供圖)
事實(shí)證明,這種參數(shù)之間的折衷是區(qū)分工藝的有效標(biāo)尺。
上世紀(jì) 90 年代,弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT,簡稱 ILT)的開發(fā)人員獲得了該創(chuàng)新的基本專利,并將第一種方法命名為激光粉末床熔融(LPBF)。從那時起,業(yè)界人士就為這一工藝創(chuàng)造了許多不同的名稱,這些名稱通常指各種高度相似的方法。這些方法包括選擇性激光熔化(SLM,尼康 SLM 解決方案)、直接金屬激光燒結(jié)(EOS)、激光熔化(Concept Laser)和激光金屬熔融(TRUMPF和Sisma 3D)。但萬變不離其宗,這些變體仍然屬于直接金屬打印以及金屬LPBF的范疇。
第一種方法LPBF的基本程序相對簡單:激光束擊中均勻粉末床中的一個點(diǎn),并在沿著輪廓移動的同時將其熔化。接下來,添加新的粉末層,激光再次啟動,如此往復(fù)……隨著時間的推移,激光會在二維輪廓的基礎(chǔ)上形成三維形狀。三維造型完成后,多余的粉末會被清除。再進(jìn)行后處理,去除支撐結(jié)構(gòu)或獲得完美的表面。
第二種方法是定向能沉積(DED)或激光金屬沉積(LMD),有時也稱為激光熔覆。在這一工藝中,激光在工件表面形成熔池,粉末狀或線狀填充材料不斷進(jìn)入熔池并熔化。激光同時熔化基體和填充材料,從而在涂層和載體部件之間形成熔融冶金結(jié)合。選擇這種方法通常是為了提高表面的機(jī)械性能或硬化表面以防止腐蝕。
這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。如圖1所示,LMD擅長在精度有限的情況下提高堆積速度,而LPBF則能獲得更好的結(jié)構(gòu)分辨率,但通常速度較慢。LPBF是生產(chǎn)小批量復(fù)雜零件的標(biāo)準(zhǔn)工藝,而LMD則有助于經(jīng)濟(jì)地修復(fù)磨損的表面,如渦輪機(jī)部件的磨損表面。
圖1.在增材制造(又稱3D打?。┲?,總是需要在堆積時間和結(jié)構(gòu)分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡。這在激光粉末床熔融(LPBF)與激光金屬沉積(LMD)之間,以及在考慮極高速激光材料沉積(EHLA)時都很明顯。(Fraunhofer ILT供圖)
高速激光材料沉積
幾年前,弗勞恩霍夫ILT 和亞琛萊茵-西法萊茵技術(shù)學(xué)院 (RWTH) 的德國研究人員開發(fā)出一種工藝,用于取代有毒鉻硬鍍和熱噴涂等工藝。這一進(jìn)展是在2017年歐洲法規(guī)禁止包括硬鍍鉻在內(nèi)的有害技術(shù)之后取得的。新開發(fā)的工藝能夠在旋轉(zhuǎn)對稱部件上快速鍍上金屬合金,以提高耐腐蝕性和耐磨性。
這種工藝被稱為 “超高速激光材料沉積”(EHLA,德語),其主要目的是使用噴嘴在工件表面沉積金屬粉末,并在粉末到達(dá)工件表面之前用激光束將其熔化。這種機(jī)制與傳統(tǒng)的LMD有很大不同,后者是在工件上的熔池中熔化填充材料。
EHLA的加工速度介于20~500m/分鐘之間,鍍膜速度大于5m2/小時。它還解決了涂層厚度的問題。使用傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù),涂層厚度通常要求在500 ~1000μm之間。而EHLA工藝可使涂層厚度小至25~250μm。
此外,各層都是無孔的,并能牢固地粘合在基底上。EHLA工藝使用約90%的粉末材料進(jìn)行涂層沉積。這使得該工藝的效率大大提高。此外,由于焊接熔池小、涂層薄、最小熱影響區(qū)約為10 μm,因此用戶可以加工難以焊接的材料和材料組合,例如鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷和銅的合金,以及金屬玻璃和高熵合金。
如今,EHLA已成為各種工業(yè)應(yīng)用的既定方法。其中包括為汽車行業(yè)制造制動盤、活塞和汽缸以及汽車軸承。目前,主要的制造商都在銷售應(yīng)用這種工藝的機(jī)器,這些機(jī)器目前已在歐洲、美洲和亞洲的多個國家投入生產(chǎn)。
噴嘴和光學(xué)器件
粉末和激光功率的同軸供應(yīng)對任何LMD加工的質(zhì)量都至關(guān)重要。對于像 EHLA這樣的快速工藝來說尤其如此。因此,弗勞恩霍夫ILT團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列定制噴嘴和光學(xué)器件。
在粉末噴嘴方面,團(tuán)隊(duì)解決了兩個難題:首先,粉末氣體噴射應(yīng)該是可調(diào)節(jié)的,以優(yōu)化粉末向激光束的噴射過程。其次,粉末氣體射流應(yīng)該密集,以最大限度地提高粉末效率。
為了滿足對噴嘴組件的要求,研究人員開發(fā)了一種粉末氣體噴射管,以實(shí)現(xiàn)均勻的粉末分布。結(jié)合保護(hù)氣流,他們使粉末氣流適應(yīng)了激光束焦散,同時優(yōu)化了粉末聚焦。通過對粉末流動表面進(jìn)行表面處理,研究人員大大延長了工藝的使用壽命。此外,針對難以進(jìn)入的區(qū)域,他們還開發(fā)了一種橫向粉末噴嘴,將粉末射流橫向?qū)爰す馐?/p>
在常規(guī)設(shè)置中,激光束位于噴嘴結(jié)構(gòu)的中心,粉末氣體噴射呈錐形進(jìn)入噴嘴,以確保加工方向不受影響。由于送入的金屬絲不可能是錐形的,因此金屬絲必須位于中心,而激光束本身也必須是錐形的,以避免加工過程中的雙向依賴。
這一原理提出了一個問題: 如何在不中斷激光束的情況下將金屬絲送入激光焦點(diǎn)?
弗勞恩霍夫ILT的科學(xué)家們利用特殊的光束整形光學(xué)技術(shù)克服了這一瓶頸。首先,激光束被轉(zhuǎn)換成環(huán)形,然后被分成兩個半圓;這兩個半圓被聚焦到工件上,并在最終的激光焦點(diǎn)上重新組合(圖2)。其他基于線材的加工光學(xué)鏡組也采用了類似的方法,即在線材周圍同軸布置多束離散激光。
圖2.定制光學(xué)器件在中心線上形成同軸的圓形焦點(diǎn)。該解決方案旨在避免激光束中斷和/或扭曲,同時又不妨礙極高速激光材料沉積(EHLA)操作。(Fraunhofer ILT供圖)
EHLA為旋轉(zhuǎn)對稱部件提供了一種動態(tài)解決方案。但是,工程師總是傾向于預(yù)測發(fā)展趨勢,因此弗勞恩霍夫ILT開始關(guān)注運(yùn)動學(xué)。
自 2019 年以來,弗勞恩霍夫ILT一直在同時研究兩種系統(tǒng)工程方法,以便將EHLA涂層技術(shù)轉(zhuǎn)移到快速成型制造和自由形態(tài)加工中。第一種是與制造解決方案公司firmponticon GmbH合作,采用三腳架運(yùn)動學(xué)(vmax=200m/min)方法,使用固定加工光學(xué)元件。第二種是與工具制造商Makino Asia Pte Ltd合作,采用改進(jìn)的五軸計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(vmax=30m/min)。在第一種方法中,工件是移動的,而在第二種方法中,激光光學(xué)元件是運(yùn)動的。
重要的是,3D方法保留了原始EHLA解決方案的優(yōu)點(diǎn):低傳熱和有效的粉末利用率(大于90%)。這些優(yōu)勢與高3D生產(chǎn)率相結(jié)合。在結(jié)構(gòu)分辨率方面,原始LMD厚度為500~2000μm,可與LPBF厚度為30~100μm的結(jié)構(gòu)定向精確堆積相媲美。EHLA 3D的厚度介于50~300μm之間,處于上述數(shù)值的中間位置。
圖 3.超高速激光材料沉積(EHLA)方法已轉(zhuǎn)入改進(jìn)型五軸計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中,噴嘴可在系統(tǒng)中移動(上圖)。(Fraunhofer ILT供圖)
圖 4.弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所首創(chuàng)的超高速激光材料沉積(EHLA)3D工藝目前已應(yīng)用于多種領(lǐng)域。除了五軸計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)外,該方法還被應(yīng)用于帶有固定噴嘴的三腳架運(yùn)動中。(Fraunhofer ILT供圖)
制造出的固體體積無裂紋,相對密度大于99.5%。迄今為止,已有多種材料通過驗(yàn)證。其中包括鐵基材料(316L、M2)、鎳基材料(IN625、IN718和IN738)、鋁基材料(AlSi10Mg、AlSi12、AlMg 等)以及Ti64、CuSn12Ni2和鋁青銅材料。此外,還對回收粉末進(jìn)行了測試。
EHLA 3D工藝已經(jīng)過驗(yàn)證,目前正用于各種應(yīng)用中。雖然可以說鋁薄壁部件的制造是其中之一,但大多數(shù)應(yīng)用都在保密協(xié)議范圍內(nèi)。例如,航空航天技術(shù)中難磨削材料的修復(fù)就是EHLA 3D關(guān)注的一個領(lǐng)域。
金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)從一個研究課題發(fā)展成為一個成熟的解決方案。目前有多種工藝可供選擇,其結(jié)構(gòu)精度和生產(chǎn)能力各不相同。隨著技術(shù)的進(jìn)步,應(yīng)根據(jù)應(yīng)用任務(wù)而不是某種技術(shù)的可用性來選擇首選工藝。
轉(zhuǎn)載請注明出處。