根据3D科学谷的了解，被许多人认为是“圣杯”的选区激光熔化(L-PBF或SLM）增材制造工艺，已经被用于创建各种制造业的零件，从定制的赛车零件到使用SpaceX发射到大气层外的设备上的部分定制金属零件。有趣的是，市场上看到的选区激光熔化的创始专利来源于德国Fraunhofer Institute所有的弗劳恩霍夫激光技术研究所，而今年这项专利诞辰25年了，25年来这项基础专利从诞生到商业化进程中体现出一项基础研究技术将如何极大程度上改变世界的神奇力量！
L-PBF专利诞生25周年
© 亚琛Fraunhofer ILT
金属3D打印技术诞生的摇篮
根据ACAM亚琛增材制造中心，德国亚琛是金属增材制造诞生的摇篮，如果业界回顾历史的话，会看到从1995年开始，亚琛的Fraunhofer就一直在推动增材制造突破界限，从混合制造，到选区激光熔化技术SLM的专利诞生，到模具应用开发、植入物应用开发等等，亚琛这里聚集了技术与应用两条主线的前沿发展趋势。
© ACAM亚琛增材制造中心
技术改变世界
不过当年开发L-PBF这项技术时候，世界还没看懂，普遍抱有对这项技术是否有用的怀疑态度。L-PBF金属3D打印技术专利发明人一共三位：Kurt Wissenbach 和 Andres Gasser，Wilhelm Meiners（目前在通快激光和系统技术有限公司任职），正是这三位专利发明人对其技术抱有极强的信心。
©Fraunhofer ILT
今天，德国亚琛Fraunhofer ILT开发的L-PBF技术被广泛用于工业应用，从涡轮机械到航空航天和医疗技术。2019 年，金属 AM 增材制造的全球市场（包括系统、材料和服务销售）估计约为 20 亿欧元。L-PBF是占主导地位的金属 AM增材制造技术，据报道占市场的 80% 以上。
由于L-PBF金属3D打印技术逐层构建组件，因此这是基于二维制造的三维制造技术，与传统制造技术相比，该工艺具有许多系统优势，例如能够生成复杂的冷却通道，用于轻型结构（例如点阵结构）应用，实现更复杂的微观结构等等。另一个系统优势是缩短了开发时间，从而可以更轻松地实现多次设计迭代，这样可以缩短新产品的上市时间。
25年来，基于L-PBF，Fraunhofer ILT 开发了一系列的应用技术和基础研究，包括高温合金的选区激光熔化，Inconel 718 的高功率 SLM 加工，用于高功率 SLM 的光学系统，具有最小变形的铝部件的增材制造，通过选区激光熔化 (SLM) 增材制造高强度氧化物陶瓷，卫星动力组件的增材制造，使用选区激光熔化技术对铜部件进行增材制造，采用高功率选区激光熔化的增材系列制造，使用选区激光熔化制造可吸收植入物等等。这方面的详细进展，请参考3D科学谷发布的《ACAM为复杂的增材制造导航》
下一代增材制造技术
L-PBF工艺能够以既高效又经济的方式制造复杂的功能部件，其生产成本并不像传统工艺那样受产品的几何复杂性限制。而面向下一代增材制造技术，Fraunhofer ILT 目前专注于推进创新的激光概念，以更加适应组件的加工要求或实现特殊的几何形状。Fraunhofer ILT 研究所正在利用其在系统工程方面的知识来开发新颖的机器概念，以提高增材制造过程的生产力。
面向下一代增材制造技术，Fraunhofer的未来增材制造futureAM项目整合了Fraunhofer旗下六个研究所的共同努力，这六个研究所包括位于亚琛的ILT激光研究所, 位于汉堡的IAPT增材制造技术研究所，位于不莱梅的IFAM制造技术与先进材料研究所，位于达姆施塔特的IGD计算机图形研究所，位于德累斯顿的IWS材料与光束技术研究所，位于开姆尼茨的 IWU机床工具与成型技术研究所。
futureAM项目关于技术跳跃来激活AM增材制造技术新潜力
©Fraunhofer ILT
这些研究所的合作主要聚焦在两方面，一是从订单到产品制造的全流程角度全面考虑3D打印在数字和物理方面创造的附加值；二是通过研发飞跃性质的技术推动3D打印进入到新一代增材制造领域。
futureAM项目关于技术跳跃来激活AM增材制造技术新潜力
©Fraunhofer ILT
在L-PBF金属3D打印技术方面，futureAM项目获得了突破性的进展，亚琛Fraunhofer ILT已经开发出用于LPBF（基于粉末床的金属熔化3D打印技术）的下一代新型加工解决方案，该解决方案具有可扩展性，可以生产比传统LPBF系统至少快十倍加工速度的大型金属部件。目前L-PBF系统样机提供了大的，有效可用的构建体积（1000毫米x 800毫米x 500毫米）。
Fraunhofer ILT开发的可扩展多激光粉末床熔化机器理念
©Fraunhofer ILT
增强的激光粉床熔化（L-PBF）加工策略的另一个亮点是软件，用于控制粉末材料熔化时的能量输入，可以为每个熔体轨迹分别设置工艺参数，以提高部件质量和制造速度。
当前金属增材制造下游加工步骤尚未实现自动化，部分原因是要制造的零件的几何形状不同，对自动化带来了极大的挑战。对于金属增材制造，大多数手动后处理成本特别高：它占总处理成本的70％。在这方面，Fraunhofer旗下另外一家研究所Fraunhofer IWU机床与成型技术研究所正在为各个过程开发各种自主技术模块，由机器人负责工件的处理和后加工。
futureAM项目中除了所有的研究机构都以自己的研发能力进行项目参与外，大家还建立了“虚拟实验室”。该实验室旨在以封闭且数字化的方式绘制所涉及机构的能力。每个实体（机器或产品）都被描述并分配了一个“数字孪生”，这是网络物理机器或更大的网络物理系统的虚拟部分。基于这些数字孪生，可以通过建模和仿真来优化实际系统。这将增强例如错误诊断、预测分析、产品和过程优化以实现长期质量保证。
将来，该系统还将提供用于计划新产品的数据，这将大大减少认证时间。它将能够越来越多地自动将产品分配给机器，在生产过程中适应相关的工艺参数，并自动考虑产品目标（例如质量）和生产目标（例如交货时间）。
因此，人类的角色将发生变化-从今天的中央计划转向决策和监控。虚拟实验室中的自治系统将使用适当的评估和监视工具来支持现场人员。因此，“虚拟实验室”提供了完整的数字透明度。
面向未来，Fraunhofer ILT 从整体上看待L-PBF金属3D打印技术的发展，在以可循环可持续发展为导向的生产和生态足迹方面，L-PBF金属3D打印技术有望成为典范。通过透明地评估生态和可持续制造的产品，Fraunhofer ILT激光研究所正在帮助工业和中小企业承担对人类和环境可持续发展的责任。
知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关德国亚琛在增材制造领域的更多分享，请持续关注 ACAM亚琛增材制造为复杂的增材制造导航系列。
© ACAM亚琛增材制造中心
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