3D 打�。ㄓ址Q增材制造）是當(dāng)今最成功的生產(chǎn)技術(shù)之一。在一個歐盟項目的框架內(nèi)，西門子開發(fā)了一種解決方案，可以比以前更有效地使用一種稱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)用打開了大門。

在慕尼黑的西門子企業(yè)技術(shù)（如下簡稱 CT）實驗室里，Daniel Regulin 正透過防護(hù)鏡觀察一束激光，這束激光在火花四濺中穿過一臺工業(yè)發(fā)動機(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金屬部件，這一過程被稱為 "激光金屬沉積"（Laser Metal Deposition, 簡稱 LMD）或激光沉積焊接（Laser Deposition Welding）。機(jī)器以不同的速度移動激光束，有時速度很慢，有時速度較快。" Regulin 解釋機(jī)器的工作原理時說："通過這種方式，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。"這將有助于我們在自動化工業(yè)生產(chǎn)過程中越來越多地使用 LMD"。

一 用粉末床制造零件 

Regulin （下圖右） 是 CT 公司數(shù)以千計的工程師、數(shù)學(xué)家和軟件開發(fā)人員中的一員，他們與西門子各業(yè)務(wù)部門攜手合作，共同推進(jìn)未來技術(shù)的發(fā)展。3D 打印又稱快速成型制造，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），也稱為粉末床法。在這種方法中，一個部件通過激光從腔室中的粉末材料床上一層一層地制造出來。多年來，西門子一直在通過模擬軟件、3D 打印機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)價值鏈數(shù)字化集成等手段完善這項技術(shù)，最后但并非最不重要的是，西門子還為能源行業(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 

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

做出這一預(yù)測的原因顯而易見。LMD 不依賴于壓力室，而壓力室會將印刷過程與周圍環(huán)境隔開。使用 SLM 時，工作區(qū)域必須首先充入惰性氣體，這是一個耗時的過程。而激光金屬沉積技術(shù)則可以立即開始打印過程，因為惰性氣體會直接從激光頭流出，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，從而為提高設(shè)計自由度和生產(chǎn)大型部件打開了大門 - 這在航空業(yè)和渦輪技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在優(yōu)勢。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，因為粉末床方法中的支撐結(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。最后，激光金屬沉積還能節(jié)約資源，因為幾乎所有的原材料都是在生產(chǎn)過程中使用的。

三 降低 LMD 的變異性 

鑒于這些優(yōu)勢，CT 公司正與西門子的數(shù)字化工廠部門合作，將 LMD 技術(shù)更牢固地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。"數(shù)字工廠部門的 Heinz-Ingo Schneider 說："我們已經(jīng)掌握了 3D 打印工業(yè)自動化所需的全部技術(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，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)來生產(chǎn)飛機(jī)渦輪機(jī)和滾動軸承的精密部件。

考慮到這一缺點，Daniel Regulin 目前正專注于如何幫助數(shù)字工廠部門提高混合系統(tǒng)的運(yùn)行速度和成本效益。具體來說，他正在研究 LMD 工藝的一個關(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，厚度也會發(fā)生變化。

為了解決這個問題，西門子 CT 正在參與一個名為 PARADDISE 的歐盟開發(fā)項目（通過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)過程 

除西門子公司外，該項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)和德國激光材料加工和光學(xué)測量技術(shù)專家 Precitec 公司。他們的工作重點是生產(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)通過開口擠壓成型）。

在亞琛工業(yè)大學(xué)的支持下，Regulin 的項目團(tuán)隊在項目開發(fā)過程中貢獻(xiàn)了一項開創(chuàng)性的發(fā)明。該團(tuán)隊開發(fā)了一種控制技術(shù)，其中 Precitec 傳感器可精確計算出每層金屬的厚度。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，控制程序利用傳感器測量光學(xué)相干，將元件的計劃高度與實際高度進(jìn)行比較。然后就可以通過改變印刷速度來調(diào)整層的厚度。結(jié)果就是一個里程碑。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，因為坯料所需的后處理更少。它所需的能源和材料也更少。這反過來又降低了高質(zhì)量金屬部件的成本。

Schneider 和 Regulin 目前正在考慮將這項技術(shù)集成到數(shù)字工廠部門產(chǎn)品系列中的可行方法。許多領(lǐng)先的 LMD 機(jī)器制造商都是這項過程控制技術(shù)的潛在客戶。不過，長期目標(biāo)是有朝一日將這一工藝發(fā)展到一定程度，使印刷部件在離開機(jī)器時處于可隨時交付的狀態(tài)。" Schneider 說："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)測量

本文首發(fā)于西門子 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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