3D 打�。ㄓ址Q(chēng)增材制造）是當(dāng)今最成功的生產(chǎn)技術(shù)之一。在一個(gè)歐盟項(xiàng)目的框架內(nèi)，西門(mén)子開(kāi)發(fā)了一種解決方案，可以比以前更有效地使用一種稱(chēng)為激光金屬沉積的高速打印工藝。該解決方案為不斷擴(kuò)展的 3D 打印應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。

在慕尼黑的西門(mén)子企業(yè)技術(shù)（如下簡(jiǎn)稱(chēng) CT）實(shí)驗(yàn)室里，Daniel Regulin 正透過(guò)防護(hù)鏡觀察一束激光，這束激光在火花四濺中穿過(guò)一臺(tái)工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)的半成品外殼。激光束正在熔化被噴嘴噴出的氣流吹入的金屬粉末。熔化的粉末正在一層一層地形成一個(gè)金屬部件，這一過(guò)程被稱(chēng)為 "激光金屬沉積"（Laser Metal Deposition, 簡(jiǎn)稱(chēng) LMD）或激光沉積焊接（Laser Deposition Welding）。機(jī)器以不同的速度移動(dòng)激光束，有時(shí)速度很慢，有時(shí)速度較快。" Regulin 解釋機(jī)器的工作原理時(shí)說(shuō)："通過(guò)這種方式，我們可以將不平整的地方磨平，從而最終生產(chǎn)出接近完美的工件。"這將有助于我們?cè)谧詣?dòng)化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中越來(lái)越多地使用 LMD"。

一 用粉末床制造零件 

Regulin （下圖右） 是 CT 公司數(shù)以千計(jì)的工程師、數(shù)學(xué)家和軟件開(kāi)發(fā)人員中的一員，他們與西門(mén)子各業(yè)務(wù)部門(mén)攜手合作，共同推進(jìn)未來(lái)技術(shù)的發(fā)展。3D 打印又稱(chēng)快速成型制造，正在改變工業(yè)生產(chǎn)的面貌。

如今，打印金屬的主要工藝是選擇性激光熔融（SLM），也稱(chēng)為粉末床法。在這種方法中，一個(gè)部件通過(guò)激光從腔室中的粉末材料床上一層一層地制造出來(lái)。多年來(lái)，西門(mén)子一直在通過(guò)模擬軟件、3D 打印機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)價(jià)值鏈數(shù)字化集成等手段完善這項(xiàng)技術(shù)，最后但并非最不重要的是，西門(mén)子還為能源行業(yè)提供了自己的 3D 制造產(chǎn)品，如燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器。

二 巨大優(yōu)勢(shì) 

然而，激光金屬沉積（LMD）正日益被視為 SLM 的替代技術(shù)。美國(guó)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) Research and Markets 的一項(xiàng)分析認(rèn)為，在這個(gè)年輕的工業(yè)領(lǐng)域，LMD 是增長(zhǎng)率最高的技術(shù)。

做出這一預(yù)測(cè)的原因顯而易見(jiàn)。LMD 不依賴(lài)于壓力室，而壓力室會(huì)將印刷過(guò)程與周?chē)�環(huán)境隔開(kāi)。使用 SLM 時(shí)，工作區(qū)域必須首先充入惰性氣體，這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。而激光金屬沉積技術(shù)則可以立即開(kāi)始打印過(guò)程，因?yàn)槎栊詺怏w會(huì)直接從激光頭流出，并包圍粉末流和焊接池。

此外，LMD 技術(shù)允許激光頭和工件更靈活地移動(dòng)，從而為提高設(shè)計(jì)自由度和生產(chǎn)大型部件打開(kāi)了大門(mén) - 這在航空業(yè)和渦輪技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在優(yōu)勢(shì)。此外，LMD 通常不需要任何支撐結(jié)構(gòu)，這與粉末床方法相比是一大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榉勰┐卜椒ㄖ械闹�撐結(jié)構(gòu)有助于平衡材料應(yīng)力。由于這些結(jié)構(gòu)僅在制造過(guò)程中需要，因此在打印完成后必須拆除和回收，這就要求隨后重新加工這些部件的連接點(diǎn)。最后，激光金屬沉積還能節(jié)約資源，因?yàn)閹缀跛�有的原材料都是在生產(chǎn)過(guò)程中使用的。

三 降低 LMD 的變異性 

鑒于這些優(yōu)勢(shì)，CT 公司正與西門(mén)子的數(shù)字化工廠部門(mén)合作，將 LMD 技術(shù)更牢固地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。"數(shù)字工廠部門(mén)的 Heinz-Ingo Schneider 說(shuō)："我們已經(jīng)掌握了 3D 打印工業(yè)自動(dòng)化所需的全部技術(shù)訣竅。" 這就是為什么我們認(rèn)為激光金屬沉積具有巨大潛力的原因"。

不過(guò)，要想充分發(fā)揮 LMD 的潛力，還有很多工作要做。例如，該工藝的精確度不如 SLM。因此，成品部件通常需要重新加工，這也解釋了為什么 LMD 機(jī)器通常與工業(yè)設(shè)備中的銑床相結(jié)合。如今，世界各地都在使用這種混合系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)飛機(jī)渦輪機(jī)和滾動(dòng)軸承的精密部件。

考慮到這一缺點(diǎn)，Daniel Regulin 目前正專(zhuān)注于如何幫助數(shù)字工廠部門(mén)提高混合系統(tǒng)的運(yùn)行速度和成本效益。具體來(lái)說(shuō)，他正在研究 LMD 工藝的一個(gè)關(guān)鍵部分：金屬層厚度的頻繁變化，這決定了印刷部件的尺寸。這些厚度的變化有多種原因，例如，材料流發(fā)生計(jì)劃外的變化。如果由機(jī)械臂承載的打印頭的速度發(fā)生波動(dòng)，厚度也會(huì)發(fā)生變化。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，西門(mén)子 CT 正在參與一個(gè)名為 PARADDISE 的歐盟開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（通過(guò)將基于激光的加法和減法工藝高效結(jié)合，為金屬部件的大規(guī)模制造提供高效、經(jīng)濟(jì)、可靠的解決方案），該項(xiàng)目旨在最大限度地減少或消除 LMD 印刷工藝的可變性。

四 自我調(diào)節(jié)過(guò)程 

除西門(mén)子公司外，該項(xiàng)目的成員還包括西班牙機(jī)床制造商 Ibarmia 公司、亞琛工業(yè)大學(xué)和德國(guó)激光材料加工和光學(xué)測(cè)量技術(shù)專(zhuān)家 Precitec 公司。他們的工作重點(diǎn)是生產(chǎn)低壓外殼和擠壓螺桿（一種帶有螺旋螺紋的圓柱體，在工業(yè)中用于將粘性物質(zhì)通過(guò)開(kāi)口擠壓成型）。

在亞琛工業(yè)大學(xué)的支持下，Regulin 的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中貢獻(xiàn)了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)明。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種控制技術(shù)，其中 Precitec 傳感器可精確計(jì)算出每層金屬的厚度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，控制程序利用傳感器測(cè)量光學(xué)相干，將元件的計(jì)劃高度與實(shí)際高度進(jìn)行比較。然后就可以通過(guò)改變印刷速度來(lái)調(diào)整層的厚度。結(jié)果就是一個(gè)里程碑。這種自我調(diào)節(jié)的工藝使混合機(jī)器能夠更快地生產(chǎn)出部件，因?yàn)榕髁纤�需的后處理更少。它所需的能源和材料也更少。這反過(guò)來(lái)又降低了高質(zhì)量金屬部件的成本。

Schneider 和 Regulin 目前正在考慮將這項(xiàng)技術(shù)集成到數(shù)字工廠部門(mén)產(chǎn)品系列中的可行方法。許多領(lǐng)先的 LMD 機(jī)器制造商都是這項(xiàng)過(guò)程控制技術(shù)的潛在客戶(hù)。不過(guò)，長(zhǎng)期目標(biāo)是有朝一日將這一工藝發(fā)展到一定程度，使印刷部件在離開(kāi)機(jī)器時(shí)處于可隨時(shí)交付的狀態(tài)。" Schneider 說(shuō)："目前，后處理仍然是必要的，但我們已經(jīng)可以在很大程度上提高工藝的可靠性。

轉(zhuǎn)自：普雷茨特光學(xué)測(cè)量

本文首發(fā)于西門(mén)子 Siemens 官網(wǎng)，原文鏈接：

https://ww.siemens.com/global/en/company/stories/research-technologies/additivemanufacturing/additive-manufacturing-laser-metal-deposition.html

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