“很多时候我们的速度快十倍”! 洞悉用于大规模生产的激光熔覆3D打印

| 3DScienceValley · 2024/04/29

根据3D科学谷，DED粉末能量沉积增材制造技术通常给业界的印象是仅仅用于大型零件的修复，似乎是难以与当前主流的PBF尤其是LPBF激光粉末床熔融技术的市场主导地位相抗衡。然而，最新的发展显示，这项技术正在走向用于产品制造的领域，譬如，3D科学谷《首个！美国空军实验室开发3D打印单块火箭发动机推力室》一文所显示，DED粉末能量沉积增材制造技术可以为火箭推进器等大型组件制造迄今为止最大的构建箱体积，能够打印约210厘米高的零件，这比激光粉末床熔融（LPBF）增材制造工艺等技术可以制造的体积大得多。此外，DED粉末能量沉积增材制造技术还可以减少粉末投资并减少材料浪费。工程师还可以实时实现多合金结构的合金混合，以利用下一代超级合金的强度、重量和性能优势。

“用于大规模生产的激光熔覆3D打印，很多时候我们的速度快十倍”，德国Ponticon公司这家初创公司通过与KIT-德国卡尔斯鲁厄理工学院，以及RWTH DAP亚琛工业大学数字增材制造生产研究所合作，开发了一种可用于极快地3D打印零件的设备，目标是实现数亿销售额。

▲ 高速自由曲面材料沉积增材制造
© Ponticon

DED粉末能量沉积增材制造技术这些独特的功能能够处理复杂的发动机设计，需要更少的迭代，并充分发挥3D打印可以进行产品的形状优化优势，采用更轻质的材料例如先进的金属合金和复合材料进行快速制造。DED粉末能量沉积增材制造技术又可以与工业4.0 中常见的其他技术相结合，包括人工智能、机器学习、数字孪生、3D扫描和CAD计算机辅助设计。这些不同技术的集成将有助于火箭发动机硬件从传统制造方法向自动化制造工艺的转变。

3D科学谷

快速且精确

3D打印已经被广泛接受用于构建原型 – 但在许多情况下，增材制造对于工业大规模生产来说仍然太慢。Ponticon 公司的目标是通过一项新技术取得突破，使物体能够特别快速、精确地涂覆和3D打印，从而长期产生数亿销售收入的数字化制造手段。

3D打印长期以来一直被视为行业的巨大希望灯塔。它允许生产全新的形式，这就是它已被用于制造航空工业零部件的原因之一。然而，DED粉末能量沉积增材制造用于制造航空工业零部件还需要克服很多挑战。

最初，Ponticon 为弗劳恩霍夫激光技术研究所 (Fraunhofer ILT) 设计了DED粉末能量沉积增材制造设备。弗劳恩霍夫激光技术研究所 (Fraunhofer ILT) 开发的超高速激光材料沉积 (EHLA) 工艺正在这台机器上得到进一步开发，该工艺最初用于涂覆金属零件。

与传统的激光材料沉积相反，超高速激光材料沉积 (EHLA) 工艺中的金属粉末材料在撞击要涂覆的部件之前被激光熔化。因此，当金属材料到达围绕其自身轴快速旋转的组件时，它已经处于液态。如今，该工艺已被用于涂覆保护层以保护高应力零件（例如航空航天或汽车领域），使得这些零件在严苛的工作环境下免受腐蚀和磨损。直到几年前，镀硬铬还是此类情况下使用的主要方法。然而，自 2017 年 9 月起，欧盟对该工艺的批准受到了严格的条件限制，因为有毒铬的电化学沉积对环境有害。

然而，由于所需的旋转对称性，此前，只能确定可以使用 EHLA 对液压缸、滚轮或制动盘等部件进行二维涂层。

因此，2018年初，Fraunhofer ILT开始寻找合作伙伴，继续开发EHLA，用于其他更复杂的形状以满足3D打印的随形需求。3D科学谷了解到Ponticon开发的pE3D系统恰好满足了这些要求。2022年的德国Formnext展会上，ponticon 首次展示其 pE3D 增材系统，用于增材制造以及首次使用动态材料沉积 (DMD) 工艺涂覆和修复复杂形状的金属工件。它将高加工速度与极高的精度和合金成分选择的高度灵活性结合在一起。这种更先进的工艺被称为 3D EHLA：部件不再必须是旋转对称的，而得益于高动态五轴运动学，部件几乎可以是任何形状。

▲ 高速自由曲面材料沉积增材制造
© Ponticon

涂层过程中实现的制造时间与热喷涂相似。但是，所应用的合金更加耐用，因为Ponticon材料粘合将材料制造在一起，Ponticon的设备配备了三个线性电机，通过碳纤维增强杆连接到运动单元。在此前版本中，可以对直径达 70 厘米、高 80 厘米的部件进行涂层和增材制造，加速度高达五倍，速度高达每分钟 200 米。Ponticon 报告称，对于传统的激光材料沉积，每分钟 0.5 至 2 米的速度是正常的。

从设计工程师的角度来看，另一个优势是可以开发全新材料并随后与 3D EHLA 一起使用。譬如可以涂覆金属玻璃。这在氢工业、医疗技术和太空旅行等领域非常有用。3D EHLA 在对材料和零部件制造提出最高要求的领域发挥着重要作用，例如在燃气和风力涡轮机的生产、模具制造和高科技领域。

使用传统工艺，要么需要很长时间才能3D打印，要么必须牺牲一些精度。3D EHLA可以提供速度和精度，这意味着该技术仍然可以高效地进行大规模3D 打印。

Ponticon 开发的动态材料沉积工艺使得将几乎任何组合的金属材料应用于金属或陶瓷部件成为可能。与传统的激光沉积焊接不同，金属粉末在激光束中熔化，然后逐层撞击基材表面。该工艺还适用于将各种合金和元素应用于金属部件表面。所得涂层与载体材料极其牢固地结合，满足耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性的最高要求。

打造多层技术护城河

根据3D科学谷的了解，Ponticon的另外一大技术优势是传感器，当专门修复金属断裂或表面磨损的部件时，传感器首先记录实际的几何形状。CAM 软件使用这些数据来规划修复过程的路径，其中喷嘴和工件彼此精确对准。然后应用适合工件特性的新材料。热量输入极小，且部件的材料特性保持不变。

多材料加工是Ponticon设备的额外优势，目前，Ponticon的输出功率为数千瓦的激光器发出的光从带有集成粉末喷嘴的加工头发出，该喷嘴将光束聚焦在基材表面上方几毫米处。金属粉末通过专为 DMD 工艺设计的喷嘴输送到激光束，可以以几乎任何组合混合不同的合金成分：高达八个粉末输送机中的每一个都可以包含不同的金属元素或已经预混合的合金。因此，该工艺特别适合对特定应用的增材制造合金的性能进行系统测试。例如，高熵合金在材料工程中非常受欢迎，因为基本上所有可以想象到的材料特性都可以通过该设备实现组合制造。

▲ 多材料增材制造
© 3D科学谷白皮书

为了在加工头和工件之间实现高速，激光光学器件和工件载体使用高动态三脚架运动学相互相对移动。专门为该工艺开发的杆运动学使得能够实现高加速度和工艺速度，并且仍然以高精度应用材料。

可以通过有针对性地调整激光功率、光束直径、粉末质量流量或工件载体速度等变量来精确控制该过程。

DED-日益重要

根据3D科学谷的市场观察，进入上升发展期的DED粉末能量沉积增材制造技术呼唤材料开发、实时质量控制以及检测认证标准的配合。

国际上，亚琛工业大学正在推动一种灵活的材料设计方法，其特点是计算机辅助和物理合金筛选的结合。研究人员使用最先进的增材制造技术，例如激光粉末床熔融和（高速）激光金属沉积。通过遵循复杂的集成计算工程（ICME）方法集成多尺度材料模拟和实验，可以对新型合金有更深入的基础了解，研究活动中还探索了进一步的机器学习方法。

此外，针对DED技术本身的加工精度，火箭推进器喷管的薄壁结构需要具有特定光束质量的激光源，以产生直径极小的光束。Fraunhofer ILT激光研究所在这一领域特别强大，因为研究所内部拥有各种激光源和光学配置，可以根据具体应用进行调整。

而在高通量方面，亚琛推出了新的高速 DED-LB 激光能量沉积工艺，称为极高速激光应用（进一步称为 HS-DED，以区别于传统 DED-LB，由亚琛工业大学和德国 Fraunhofer ILT 弗劳恩霍夫激光技术研究所开发)，HS-DED也是一种DED工艺，与DED-LB相比，粉末的熔化独立于熔池，允许高达 200 m/min的高加工速度，并且粉末的混合独立于熔池动力学和偏析过程。预期的优点是过程中元素粉末的均匀混合以及高通量样品生产的可能性。

可以见得，在国际顶级科研机构的推动下，DED粉末能量沉积增材制造技术将突破自身发展瓶颈，获得更多可适用的加工材料、更高的加工精度、更高的加工效率成为一种发展趋势。而这一发展趋势的确立使得DED粉末能量沉积增材制造技术获得更广的发展空间。