弗劳恩霍夫Fraunhofer IPT 研发出混合丝材和送粉技术的增材制造工艺

| 3DScienceValley · 2021/08/05

根据3D科学谷的市场了解，按照激光熔覆的材料类型和材料与激光束的耦合形式，可将常见的激光熔覆技术分为超高速激光熔覆技术EHLA、高速丝材激光熔覆技术、同轴送粉激光熔覆技术、旁轴送粉激光熔覆技术。

近日来自亚琛的弗劳恩霍夫Fraunhofer IPT（ACAM亚琛增材制造中心研发伙伴）研发出混合丝材和送粉技术的增材制造工艺，使得激光熔覆的技术种类变得交叉起来。

成就更好的材料

根据3D科学谷的市场了解，位于亚琛的弗劳恩霍夫生产技术研究所Fraunhofer IPT 的一个研究团队开发了一种混合增材制造工艺，该工艺将线材和粉末基激光沉积焊接 (LMD) 相结合。使用新工艺，可以在工件上涂覆由高强度工具钢制成的保护层，并且可以经济高效地修复表面缺陷。

使用 LMD激光熔覆沉积技术，激光束聚焦在元件表面；与此同时，金属材料——通常是粉末或金属丝的形式——被送入并熔化。混合丝材和送粉技术的增材制造工艺非常适合在频繁使用的组件上施加保护层、修复损坏区域以及在短时间内改变工件的几何形状。

Fraunhofer IPT 测试的线材和粉末的组合使得材料硬度增加高达 30%，混合丝材和送粉技术的增材制造工艺本地化适合制造零部件或在本地优化零件。以这种方式生产的工具涂层比使用其他方法生产的工具涂层更耐磨、更节约资源、更经济。根据3D科学谷的了解，在对工具部件进行一系列成功测试后，弗劳恩霍夫Fraunhofer IPT 计划使用该工艺加工液压部件。

线和粉的组合-灵活且便宜

这个开发工作属于最近完成的研究项目“MatLaMeD”，Fraunhofer IPT 的科学家团队通过将粉末形式的材料颗粒添加到线材加工过程中，首次成功地有针对性地设置了重要的材料特性，例如应用层的硬度和韧性。此外，该工艺比纯粉末工艺更具成本效益，并且比纯金属丝工艺具有更大的材料灵活性。

满足不同要求的个性化材料组合

为了确定适合不同应用的最佳材料组合，科学家们测试了多种材料。作为实际测试系列的线材，科学家们最终选择了结构稳定性好的热作钢和易于焊接的低合金钢。作为粉末材料，科学家们使用铬 (Cr) 作为碳化物形成和晶粒细化元素，使用碳化钛 (TiC) 作为测试系列中的硬质相。

硬度增加高达 30%

通过将金属丝和粉末相结合，研究人员能够针对每种应用灵活调整材料成分。添加粉末材料可以有针对性地改变工具钢的微观结构并提高涂层的硬度：即使添加少量碳化钛也能将硬度提高至 30%。

通过新工艺，亚琛的科学家现在可以对不同的热、化学和机械负载做出快速灵活的反应，可以精确调整韧性和硬度，据亚琛的科学家称，新工艺是最大限度减少表面磨损并显着延长部件使用寿命的完美工具。

计划用于加工液压元件的测试系列

“MatLaMeD”项目的积极成果为研究人员提供了进一步开发新方法的基础，以开发具有特殊性能的其他材料系统。此外，他们计划在各种应用领域使用混合 LMD 工艺，例如加工成型工具或处理液压元件上的摩擦磨损层。

研究人员目前正在测试通过混合丝材和送粉技术的增材制造工艺生产梯度合金，为此，他们希望尽可能提高材料混合物中碳化钛的含量，由于碳化钛会产生高内应力，这会增加焊接过程中开裂的可能性，因此亚琛研究团队希望逐层单独调整 TiC 含量。

MatLaMeD – 混合激光沉积焊接新工艺的开发项目由德国联邦教育和研究部 (BMBF) 资助，作为“未来生产、服务和工作创新”资助计划的一部分，混合丝材和送粉技术的增材制造工艺将打开怎样的市场应用空间？3D科学谷将保持持续关注。

厚积薄发

根据3D科学谷的市场了解，亚琛研发混合丝材和送粉技术的增材制造工艺可谓是建立在厚积薄发的丝材和送粉的LMD基础上。

熔丝

此前，德国Fraunhofer IPT工业生产技术研究所开发的金属丝激光沉积技术（wire-based laser metal deposition，LMD-W），材料利用率可达100%。基于LMD-W 技术的增材制造设备采用模块化设计，可以经济高效的集成到企业的现有生产线中。其激光打印头适用于常见的激光光学系统，因此不需要复杂的定制光束引导系统。内置传感器可以检测到运行过程中出现的典型错误，因此这些错误能够在加工过程中得到分析，设备的控制系统针对错误进行补偿。

熔粉

而对于送粉的LMD技术的研究，亚琛的Fraunhofer ILT激光研究所则是开辟效率与质量结合的先河，推出了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。

目前最新的进展在Fraunhofer ILT激光研究所的– futureAM –下一代增材制造中进行技术迭代。根据3D科学谷的了解，目前这一技术达到了新的高度，可以提供令人难以置信的好处。此前EHLA仅用于旋转对称零件，而目前亚琛的科学家已经实现了创建更加随形完成自由曲面加工的能力。为此，在亚琛已经开发了一个自由曲面加工能力的EHLA原型机，在该机中，工件以高度动态的方式运动，在EHLA粉末在喷嘴下的以五倍速重力加速进行表面加工。