激光熔覆最初是在航空和能源等某些高附加值市場中獲得應(yīng)用的，不過當(dāng)時激光非常昂貴，并且2-3KW功率的激光器也難以獲得更大的市場青睞。現(xiàn)在，許多事情發(fā)生了變化-激光器的價格下降了近十倍，而且大功率激光器（比如10+ kW）在工業(yè)條件下變得很方便，這進一步打開了激光熔覆的應(yīng)用市場。
按照激光熔覆的材料類型和材料與激光束的耦合形式，可將常見的激光熔覆技術(shù)分為超高速激光熔覆技術(shù)EHLA、高速絲材激光熔覆技術(shù)、同軸送粉激光熔覆技術(shù)、旁軸送粉激光熔覆技術(shù)。
Fraunhofer ILT的超高速激光熔覆與激光世界。來源：弗勞恩霍夫
更高的速度，更好的質(zhì)量
激光熔覆技術(shù)家族。來源：歐瑞康
l EHLA超高速激光熔覆
是什么使得EHLA超高速激光熔覆如此令人興奮？根據(jù)發(fā)明這項技術(shù)的Fraunhofer激光技術(shù)研究所，超高速激光材料沉積技術(shù)（EHLA）具有替代當(dāng)前腐蝕和磨損保護方法如硬鍍鉻和熱噴涂的潛力。
EHLA和重熔后的表面質(zhì)量；歐瑞康metco15E（左側(cè)）和新一代歐瑞康鐵基合金的顯微組織橫截面。
根據(jù)Fraunhofer激光研究所，EHLA工藝在效率和速度方面均優(yōu)于現(xiàn)有的抗腐蝕和耐磨損涂層保護方法。Fraunhofer可以在短時間內(nèi)使用EHLA技術(shù)在大面積的零部件上沉積十分之一毫米的薄層，并且節(jié)約資源，加工過程具有經(jīng)濟性。EHLA成為一種有吸引力的技術(shù)并通過市場應(yīng)用推動了進一步的發(fā)展。
Fraunhofer ILT開發(fā)的EHLA的發(fā)展（2013年開發(fā)EHLA, 2016年第一臺設(shè)備，2017年市場化5-10臺設(shè)備，通快進入EHLA商業(yè)化領(lǐng)域，2018年市場化20多臺設(shè)備，2019年市場化40多臺設(shè)備，2020年開發(fā)面向產(chǎn)業(yè)化的多噴頭高通量EHLA技術(shù)）。
2020年，每個人都已經(jīng)在談?wù)摯蠊β蔈HLA沉積速率超過2m/ h的加工速度。憑借EHLA工藝，F(xiàn)raunhofer表示，該工藝對當(dāng)前抗腐蝕和磨損保護的加工工藝具有改進作用。由于硬鉻電鍍消耗大量能量并且具有粘合和孔隙率的缺點，而熱噴涂在所用材料方面可能相當(dāng)浪費。相比之下，EHLA方法加工出來的涂層是無孔的，從而改善粘合情況并降低裂紋和孔隙的發(fā)生的可能性。除此之外，根據(jù)Fraunhofer，EHLA技術(shù)比熱噴涂節(jié)約90％的材料。
商業(yè)化方面，德國通快將Fraunhofer的這一技術(shù)商業(yè)化，批量生產(chǎn)EHLA激光金屬涂覆設(shè)備。根據(jù)TRUMPF，新型EHLA工藝提供了一種快速高效的金屬涂層方法，比現(xiàn)有工藝快了100倍。
原形和方形的噴嘴
隨著EHLA系統(tǒng)開始批量生產(chǎn)，TRUMPF表示還將該流程整合到其制造系統(tǒng)中。TRUMPF表示，它擁有許多與EHLA兼容的機器，包括TruLaser Cell 3000，TruLaser Cell 7000系列。前者可用于制造中小型零件，而后者更適合大型零件。TruLaser Cell 3000系列適用于中小型二維和三維零件的柔性切割和焊接，滿足從原型制造到批量生產(chǎn)的需求。典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療技術(shù)，精密工程及電子行業(yè)。TruLaser Cell 7000 系列適合需要加工平面或立體部件還是管件。切割、焊接和激光金屬沉積可自由切換。機床的模塊化結(jié)構(gòu)以及個性化適配與拓展安裝方式使 TruLaser Cell 7000 系列適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)環(huán)境。
而在國內(nèi)，作為弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所孵化的創(chuàng)新企業(yè)，位于天津的德國ACunity公司（亞琛聯(lián)合科技）圍繞EHLA技術(shù)開展了一系列的市場化拓展性研發(fā)，對核心裝備進行改良與升級。ACunity于2018年4月研制成功全球首臺EHLA-Grand5000超大型高速激光熔覆設(shè)備，并交付中國客戶。
通快的TruLaser Cell
這里的最新發(fā)展是光斑尺寸，使用原型噴嘴，其直徑可覆蓋至最大12mm，沉積速度超過1.5 m / min。其背后的邏輯非常簡單–更大的光斑和更高的速度由能源的力量補償。
如今，還可以使用寬度最大為45mm的矩形幾何形狀的平面噴射粉末噴嘴。高通量的情況下，粉末消耗量也相應(yīng)增加，可能超過300g / min。同樣在這里由于激光點和襯底表面之間的相互作用的面積大，所以需要高功率激光器。
目前最新的進展在Fraunhofer ILT激光研究所的– futureAM–下一代增材制造中進行推動。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，目前這一技術(shù)達到了新的高度，可以提供令人難以置信的好處，總體來說一切確實令人興奮。到目前為止，EHLA僅用于旋轉(zhuǎn)對稱零件。下一步是創(chuàng)建更加隨形完成自由曲面加工的能力。為此，在亞琛已經(jīng)開發(fā)了一個自由曲面加工能力的EHLA原型機，在該機中，工件以高度動態(tài)的方式運動，在EHLA粉末在噴嘴下的以五倍速重力加速進行表面加工。
l 金屬絲激光沉積技術(shù)
德國Fraunhofer IPT工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究所開發(fā)的金屬絲激光沉積技術(shù)（wire-based laser metal deposition，LMD-W），材料利用率可達100%。基于LMD-W 技術(shù)的增材制造設(shè)備采用模塊化設(shè)計，可以經(jīng)濟高效的集成到企業(yè)的現(xiàn)有生產(chǎn)線中。其激光打印頭適用于常見的激光光學(xué)系統(tǒng)，因此不需要復(fù)雜的定制光束引導(dǎo)系統(tǒng)。內(nèi)置傳感器可以檢測到運行過程中出現(xiàn)的典型錯誤，因此這些錯誤能夠在加工過程中得到分析，設(shè)備的控制系統(tǒng)針對錯誤進行補償。
Fraunhofer IPT的金屬絲激光沉積技術(shù)。來源：弗勞恩霍夫
LMD-W 設(shè)備采用橫向送絲方式，金屬絲與光軸成20度角。打印絲材包括多種鋼，以及鎳基和鈦基合金等金屬絲材。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，目前Fraunhofer IPT的此項技術(shù)已經(jīng)在日本擁有技術(shù)轉(zhuǎn)讓用戶。
l 混合增材制造
DMGMORI-德馬吉森精機是向市場提供此類系統(tǒng)的先驅(qū)之一。DMG MORI的Lasertec 65 3D混合增材制造設(shè)備，該設(shè)備將激光沉積焊接與五軸銑削相結(jié)合。
在應(yīng)用方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，舍弗勒與德馬吉森精機合作通過3D打印來制造梯度合金軸承。舍弗勒選擇的Lasertec 65 3D混合增材制造設(shè)備配備了兩個粉末進料器，可以在激光沉積焊接過程中有針對性地控制從一種材料到另一種材料的切換。根據(jù)德馬吉森精機I的說法，這可以用來制造不同材料特性之間平滑過渡的分級材料。材料的韌性和硬度可以在過度的過程中進行調(diào)節(jié)，并進行最佳的分配以適合個別應(yīng)用的特定要求。
通過Lasertec 65 3D混合增材制造設(shè)備上使用這種材料漸變還可以創(chuàng)造激動人心的發(fā)展機遇。例如，磁性和非磁性材料可以通過漸變來組合，并且根據(jù)需要調(diào)整組件的性能。
而在混合增材制造設(shè)備方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，德馬吉森精機目前有兩種混合型增材制造設(shè)備-LASERTEC 65 3D hybrid、LASERTEC 125 3D hybrid和LASERTEC 4300 3D hybrid。LASERTEC 65 3D hybrid和LASERTEC 125 3D hybrid 集成了激光沉積焊增材制造工藝與5軸加工工藝，LASERTEC 4300 3D hybrid 則集成了激光沉積焊增材制造工藝與DMG MORI 的車銑復(fù)合加工工藝，可進行六面車銑加工。
l同軸送粉激光熔覆技術(shù)、旁軸送粉激光熔覆技術(shù)
關(guān)于同軸送粉激光熔覆技術(shù)、旁軸送粉激光熔覆技術(shù)，從事此類技術(shù)的國內(nèi)外的廠家數(shù)不勝數(shù)。值得重視的是，所有的加工都需要克服工藝的穩(wěn)定性與可預(yù)測性，在這方面，國內(nèi)安世亞太與中科煜宸聯(lián)合開發(fā)了面向金屬增材制造定向能量沉積工藝的專業(yè)工藝仿真軟件AMProSim-DED仿真模擬系統(tǒng)考慮溫度相關(guān)的材料非線性屬性，基于工藝文件的運動路徑信息，模擬增材制造工藝的材料堆積過程，可以詳細模擬零件分區(qū)、打印路徑以及熔融冷卻的相變過程對增材制造過程的影響，預(yù)測增材制造過程中的溫度、應(yīng)力和變形，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而保證3D打印質(zhì)量和打印效率，避免低效的試錯過程。
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