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激光为金属零件增材制造塑造了一个新未来

来源:国际工业激光商情 发布时间:2023-02-09 338
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他 3D打印
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激光正在为增材制造开辟技术和波长,使从航空航天到汽车等行业能够打印越来越大的金属零件。

航空航天和汽车制造商最初采用增材制造(AM)方法,是作为一种快速原型制造新零件或在一个步骤中制造更复杂或更坚固部件的方法。他们将增材制造应用于聚合物,然后是复合材料,并最终应用于更具挑战性的材料如金属和陶瓷。


今天,随着这些行业需要打印更大或高反射率的金属部件,业界正在提升对一些“古老”增材制造方法的新兴趣。这些方法中最值得注意的是定向能量沉积(DED),首次于1925年获得专利,以及线弧增材制造(WAAM),首次于1920年获得专利。


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图1:基于绿光激光器的定向能量沉积(DED)工艺用纯铜制造薄壁圆柱体(图片来源:通快)


DED是将金属粉末或金属丝引向一个能量源的路径,如激光、气体钨弧或电子束,然后将材料熔化并逐步打印出部件的连续层和特征。激光辅助WAAM(L-WAAM)是定向能量沉积的一个分支,使用的是金属丝而不是粉末。


在西班牙的波里尼奥,定向能沉积技术正在真正地起飞。在那里,AIMEN技术中心与奥地利维纳诺伊斯塔特的AC2T研究机构合作,利用欧盟提供的50万欧元(52.6万美元)资金研发使用激光线DED制造一种新的飞机襟翼轨道系统概念。襟翼轨道是飞机机翼上的辅助控制面,可以增加阻力和升力。与传统的计算机数字控制(CNC)加工方法相比,“ADDIFLAP”项目预计将减少60%的钛废料和26%的二氧化碳排放。


AIMEN高级制造工艺负责人Ambroise Vandewynckèle表示,对于大型部件的制造,近年来,基于激光的定向能沉积技术在行业内引起了很大的兴趣,因为它能够利用大型数控或机器人的单元来加工大型金属部件。此外,这些工艺允许在已经存在的3D形状上使用粉末和金属丝。


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图2:欧盟资助的ADDIFLAP项目正在使用基于激光的DED来3D打印喷气机的襟翼轨道机构(图片来源:AIMEN)


走向大型化


在激光DED的背景下,大型部件的打印规格可以超过半米。当处理现有的(尽管较小)3D组件时,或者当组合多个材料来制造零件时,该技术也是一个有吸引力的选择。Vandewynckèle表示,使用激光DED制造的部件的最大尺寸仅受制造商机器人或CNC系统的操作限制。


现在看来,航空业并不是推动对打印大型部件唯一感兴趣的市场。位于德国波恩的GKN Additive的技术和制造工程总监Simon Höges说,这种增材制造技术在汽车领域也越来越受欢迎,它能对大型铝铸件进行原型制造和功能测试。打印的典型合金是铝基AlSi10Mg和其他与激光粉末床熔融工艺兼容的铸造合金。


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图3:除了汽车和航空航天行业外,开发感应淬火线圈等工具的用户正在推动对激光3D打印的需求(图片来源:GKN Additive)


Höges表示:“航天行业也在大力押注增材制造技术,以提高火箭发动机的性能,尤其是在新的航天技术初创企业中。增材制造支持生产大型火箭发动机部件的能力,这些部件具有由导热材料(如纯铜和铜合金)制成的复杂内部冷却结构。”


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图4:用Nidec机床最大的激光DED金属打印机制作的钛火箭样品重达30公斤,打印耗时30小时(图片来源:Nidec Machine Tool)


在另一个例子中,美国国家航空航天局的快速分析和制造推进技术(RAMPT)项目使用激光DED工艺在喷粉上打印了一个高强度铁镍超级合金火箭喷嘴,该喷嘴的长度为1.016m,是该机构有史以来打印的最大喷嘴之一。该项目正在开发更轻、更高效的液体火箭发动机部件。


激光DED打印如此大的部件并进行修复的能力,使这种增材制造技术比粘合剂喷射更具有优势。Nidec机床LAMDA定向能量沉积打印机销售主管Hirohisa Kuramoto表示:粘合剂喷射)适合大规模生产,因为打印速度快。但由于这是一种烧结方法,因此对可烧结零件的尺寸有限制。


Coherent的产品管理高级主管Shailesh Patkar表示,如果最终用户已经拥有烧结炉基础设施,那么粘结剂喷射在较小零件应用中可能具有前期的成本优势。然而,当为医疗设备打印零件时这一优势就会减弱,因为在医疗设备中监管是一个不容忽视的因素。Patka谈到:使用第三方材料如粘合剂,在FDA的审核过程会有很多问题。因此,激光是首选技术。

激光辅助线弧增材制造


基于激光的WAAM是由金属丝而非粉末打印的定向能量沉积的一个分支,也是一种新兴技术,为打印大型金属结构提供了气体金属弧焊的潜在替代方案。气体保护金属电弧焊的前景,因其相对较差的零件质量和工艺不一致而暗淡。


就其本身而言,线弧增材制造工艺不是一种光子技术。然而,使用激光可以帮助稳定金属丝电弧,从而提高沉积速率。Vandewynckèle表示,研究团队也正在研究激光以帮助控制L-WAAM工艺中沉积的焊缝轨迹几何结构。


Patkar表示,未来,L-WAAM将为大型零部件制造提供引人注目的优势。他说,已经有超过30m×6m的打印零件的例子。然而,L-WAAM将需要开发新的光纤耦合、高功率二极管激光源,以及以高度控制的方式将激光束与电弧结合的能力。Patkar表示:“使用L-WAAM进行高质量大型金属结构组装的潜力可能会开拓新的市场和应用,例如在航空航天行业。”

激光生产线


为了在航空航天和汽车大型零部件行业占据市场份额,Nidec于2022年9月推出了金属粉末3D打印机系列的中型型号LAMDA500,它可以打印尺寸为500mm3(10倍于典型粘合剂喷射工艺零件尺寸的零件尺寸)。Nidec大型金属粉末打印机能够生产2500mm×900mm×1000mm的金属零件。


3D打印设备的技术依赖于具有多种输出(包括1kW、2kW、4kW、6kW)光纤激光器。用于金属零件增材制造方法(如粉末床熔化或定向能量沉积)的最广泛的来源是工作在1064nm的二极管泵浦镱光纤激光器。这是因为铁基和镍基金属会在红外波长下熔化。


Patkar表示,相比之下,CO2激光器已经被用于打印聚合物、陶瓷和复合材料的零件。对于立体光刻增材制造方法,倍频Nd:YVO4激光器由于其相对较宽的吸收带、较低的工作阈值和较高的效率而成为Nd:YAG激光器的替代品。


直接金属激光烧结(DMLS)是另一种增材制造工艺,已创造了生产大型金属零件的纪录。2014年,EOS GmbH推出了采用镱光纤激光器的DMLS机器,其制造体积为400mm3。从那时起,通用电气增材制造公司推出了一台更大的机器,该机器包含了两台光纤激光器,打印体积可以达到800mm×400mm×500mm。2019年,福特汽车公司(Ford Motor Co.)在德国的3D打印实验室使用通用电气的系统制造了“汽车历史上最大的工作车辆3D金属打印部件”,体重6公斤,耗时5天完成。一些DMLS项目的工作量可能需要30天才能完成。

尚不适合打印


EOS金属技术高级经理Ankit Sahara表示:“金属材料的加工速度决定了商业案例。当我们试图提高产量时,就会增加进入粉末床的激光能量。但光靠增加功率是不够的。我们还必须找到在不蒸发材料或造成质量问题的情况下使用激光的方法。热管理和光束整形是帮助解决这些问题的关键工具。


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图5:NASA的快速分析和制造推进技术(RAMPT)项目使用粉末吹扫激光DED工艺制造该机构有史以来最大的火箭喷嘴之一(图片来源:NASA)


Coherent开发了这样的工具,以解决定向能量沉积过程后快速冷却导致的裂纹和缺陷,这尤其影响到钨、钼、铌、钽和铼等耐火合金。Patkar说,Coherent的可调环形模式光纤激光器和自适应激光多束阵列技术,都是为了减轻熔池后凝固过程中快速冷却的影响而设计的。


可调环形模式技术允许用户独立控制激光束中心和外环的功率和调制。“虽然这些系统已经在焊接应用中得到广泛认可,但它们可以为增材制造系统集成商和客户提供解决熔池控制的新解决方案,”Patkar继续谈到,“尽管Coherent的自适应激光多光束阵列系统仍处于早期准备状态,但该系统允许通过单个激光头输送多个可独立配置的光束来实现原位光束成形,从而有望进一步控制粉末熔池中的激光功率分布。”


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图6:用于汽车行业的3D打印金属底盘支架(左部)和车轮托架顶部(右部)(图片来源:EOS GmbH)


Patkar表示:这在增材制造中从未实现过。增材制造的吞吐量通常通过增加激光器的平均功率、通过动态光束整形和在单台设备中使用多台激光器来驱动。例如,金属制造系统现在通常有两台、四台、六台或更多的光纤激光器,每台激光器的平均功率高达1kW。

绿光和蓝光


由于明显的原因,打印铜、金、银和铂等高反射金属零件具有挑战性。功率为1kW的高功率镱光纤激光器可以加工纯铜以及铜合金。然而,由于材料的吸收特性以及它们不同的熔化温度,打印数量可能会有很大的变化。GKN Additive的höges表示,铜的产量通常处于低端,产量低于10立方厘米/小时,而铝的产量可以达到数百立方米/小时。


根据Patkar的说法,工作在515nm-530nm范围内的倍频镱激光器正在成为这种高反射材料的新候选者。通快已经在其粉末床设备中引入了515nm绿光激光器,并与外部供应商、大学和研究机构合作,测试和开发其他激光辅助DED方法的技术。Kuramoto表示,Nidec也期待着高功率、低价格的绿光激光器的出现。


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用于定向能量沉积的4kW红外激光器在延伸螺旋钻上构建了由高强度镍基高温合金INCONEL 718制成的特征(图片来源:通快)


另一方面,蓝光激光器也正在进入增材制造市场。今年第一季度,位于科罗拉多州Centennial的蓝光激光器制造商NUBURU计划推出一款可用于3D打印机和远程焊接机的高功率产品线。NUBURU的蓝光激光器可以提供稳定的光束功率,并且很容易地以高达50kHz的速率进行调制。


蓝光激光器还可以打印高反射金属粉末,如铜、金和铝。NUBURU全球销售副总裁Andrew Dodd表示:“我们的目标是以全部件密度和最小的热输入实现高速度和沉积速率。红外激光器在加工金、铜和铝等材料时,通常需要比蓝色激光器高10倍的功率。”


到目前为止,可见波长激光的使用还没有渗透到增材制造机械行业的研发活动之外,至少没有到激光的使用影响GKN粉末冶金金属粉末需求的程度。Höges表示,使用铜合金可以实现许多3D打印的应用。

作者:James Schlett(Photonics Spectra特约编辑)


来源:荣格-《国际工业激光商情》

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