将极高速激光材料沉积扩展到三维

复杂的金属部件能否以高效且可重复的方式连续3D打印?来自亚琛的研究人员可以肯定地回答这个问题：在弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT，他们已经将二维极高速激光材料沉积EHLA转移到改进的五轴CNC系统，用于复杂部件的增材制造。

通过将EHLA工艺扩展到三维，该研究所可以3D打印工具钢、钛、铝和镍基合金等难焊材料。

几十年来，两种激光工艺一直主导着金属部件的印刷和涂层。直接工业金属3D打印的主导技术是FraunhoferILT26年前获得专利的基于激光的粉末床融合(LPBF)工艺。在这里，激光辐射熔化了一小部分基础材料，并将粉末转化为以冶金方式粘附在基础材料上的固体层。通过这种方式，3D组件从粉末床逐层生长。

激光材料沉积(LMD)也被证明是一种特殊的高效表面技术。在LMD中，在部件表面形成熔池，填充材料、线材或粉末被连续引入熔池中。该池熔化了基板和填充材料，从而在该层和组件基板之间形成冶金结合。

回收昂贵的组件

一方面，经济潜力在于可以升级具有功能层的基本组件或进行局部的、附加的组件修改。LMD的第二个重要应用领域是维修，即从航空航天工业或工具制造中回收昂贵的部件。在使用LMD进行局部熔覆后，磨损或有缺陷的部件可以再次完全发挥作用，因此不再需要报废。

LMD和LPBF已成为金属增材制造不可或缺的一部分，因为它们具有工艺特定的优势：LMD因其高生产率而具有吸引力，而LPBF可用于极其精细和复杂组件的3D打印。2012年，FraunhoferILT和亚琛工业大学数字增材生产DAP凭借超高速激光材料沉积EHLA的开发开辟了全新的天地。

在获得专利的过程中，激光熔化已经在熔池上方的粉末颗粒。得益于这项创新，工艺速度可以从之前的0.5到2.0(LMD)提高到高达200m/min，涂层厚度从500µm减少到高达10µm。现在每小时最多可以喷涂五平方米。此外，涂层变得更光滑，粗糙度降低到LMD典型值的十分之一。

快速涂层的国际成功

该发明大受欢迎：例如，来自莱克斯蒙德(荷兰)的HornetLaserCladdingBV已将激光束源、EHLA加工头和送粉系统集成到其车床中，以便在工业过程中使用EHLA。位于德国迪琴根的TRUMPFLaser-undSystemtechnikGmbH也将该工艺纳入其产品组合，并为EHLA工艺提供激光设备和系统技术。

首批用户包括荷兰、中国、德国和土耳其的公司。2015年，离岸行业取得了突破：从那时起，数百米长的液压缸都涂上了耐磨和耐腐蚀合金，以供全球海洋环境使用。

2019年，在快速可靠地为制动盘、活塞、汽缸和轴承涂漆方面取得进一步成功后，又迈向了三维。JonathanSchaible是FraunhoferILT的前研究员，作为他博士的一部分参与了进一步的开发：他处理了必须满足机器和系统技术的哪些特殊要求才能将EHLA与高速3D打印相结合的问题。

与此同时，他的继任者Min-UhKo继续改进经过特殊修改的五轴CNC系统的工艺工程，该系统将最高精度与高进给率结合在一起，用于增材制造、自由曲面涂层和使用EHLA的组件修复。

“EHLA3D结合了LMD的生产率及其500至2000µm厚的层，以及LPBF的结构目标，精确构建30至100µm厚的层，”增材制造和修复LMD的组长Min-UhKo解释道。弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT。“EHLA3D处于50至300µm的中间范围。”

接近最终轮廓

低稀释区和高冷却速率也有利于该过程。由于这些特性，由难以焊接的材料制成的部件和多材料配对也可以增材制造。该工艺在真正的3D打印中显示了其优势。

科学家Ko解释说：“使用EHLA3D，可以高效地制造已经非常接近最终轮廓的部件。除了所谓的近净成形外，该过程还可以快速、精确地构建，因为以及在自由曲面上涂上涂层。”

在创纪录的时间内完成复杂形状——这只有通过适当设计的机器技术和经过调整的CNC程序路径规划才能实现。生产力在这里下降或游动，因为所谓的飞入——当激光头加速到使用点并打开激光束时——与随后的飞出相互作用——当它减速离开加工区时。

效率取决于激光束打开时的加工时间与总加工时间的比率。Schaible的调查证明了这一点：在50m/s²的加速度和50m/min的进给速度下，距离为100mm，效率M-PDE(与机器相关的粉末沉积效率)约为80%。在10m/s²的加速度下，M-PDE约为。40%。

该研究所进一步开发EHLA工艺的努力已见成效，首次成功的演示证明了这一点。在德国亚琛举行的“AKL'22-国际激光技术大会”上，Ko科学家在2022年春季的演讲中展示了EHLA3D技术的当前进展。

例如，一段视频展示了成型工具的高效增材制造，与LMD相比，其打印时间可缩短两倍。此外，精加工所需工作量的减少还带来了更多优势。

该工艺还具有高效率的特点：由航空航天材料Inconel718制成的部件在五轴CNC系统上以超过2kg/h的沉积速率和超过99.5%的密度进行3D打印。亚琛研究人员还研究了当他们使用回收金属粉末而不是新金属粉末时，特征值如何变化。在这两种情况下，抗拉强度Rm都在1300MPa左右。

Ko解释说：“在这两种情况下，抗拉强度都与铸造一样好。”科学家Schaible也取得了不错的成果，他的工作包括对316L不锈钢和铝硅合金制成的组件进行EHLA3D工艺开发。在这里，获得的机械性能也与文献中报道的常规生产样品一致。使用EHLA3D生产的薄壁铝部件目前可能的结构分辨率约为500µm。

位于FraunhoferILT的CNC系统是经过特别改装的原型，可以可靠、精确且同时高度动态地移动工具。Ko邀请感兴趣的各方仔细观察：“如果您对这种工厂技术或EHLA3D工艺的其他可能用途感兴趣，我很乐意在FraunhoferILT提供帮助。”