将高速激光材料沉积扩展到三维增材制造

　　作者：Petra Nolis（德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会）

　　复杂的金属部件是否可以高效、可重复地进行3D 打印？德国亚琛的研究人员可以肯定地回答这个问题。弗劳恩霍夫激光技术研究所的科学家们，将二维极高速激光材料沉积（EHLA）转移到一个改进的五轴CNC 系统中，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 打印难以焊接的材料，如工具钢、钛、铝和镍基合金。几十年来，两种激光工艺一直主导着金属部件的打印和涂层。直接工业金属3D 打印的主导技术，是26 年前由该研究所获得专利的基于激光粉末床融合（LPBF）工艺。在这里，激光熔化了一小部分基材并将粉末转化为固体层，以冶金方式粘附在基材上。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类型的有效表面技术。通过这项技术，可以在部件表面形成熔池，填充材料、金属丝或粉末被连续引入熔池。该熔池熔化基材和填充材料，从而在层和组件基材之间形成冶金结合。

　　抢救昂贵的部件

　　经济潜力一方面在于用功能层升级基本部件的可能性，或者进行局部的、附加的部件修改。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。使用LMD进行局部包覆后，磨损或有缺陷的部件可以再次重新使用。

　　LMD和LPBF已成为基于金属的不可或缺的增材制造技术，因为它们具有特定的工艺优势：LMD 由于高生产率而具有吸引力，而LPBF 可用于极细和复杂组件的3D 打印。弗劳恩霍夫激光技术研究所和亚琛大学数字增材制造于2012 年联合开发了超高速激光材料沉积，开创了全新的局面。

　　快速涂层的国际成功

　　来自莱克蒙德（荷兰）的Hornet Laser Cladding B.V. 将激光源、EHLA 加工头和粉末进给系统集成到车床中，以在工业过程中使用这项技术。通快也将该工艺纳入产品组合，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，这项技术在海上领域取得了突破。从那时起，许多数百米长的液压缸都涂上了耐磨和耐腐蚀合金，在世界各地的海洋环境中使用。

　　2019 年，在快速可靠地为制动盘、活塞、气缸和轴承涂覆涂层方面取得了进一步成功之后，这项技术向三维加工前进。研究所前研究助理Jonathan Schaible 参与了进一步的发展：他处理了将EHLA 与高速3D 打印相结合必须满足的特殊要求的问题。

　　与此同时，他的继任者Min Uh Ko 继续在经过改良的五轴CNC 系统上完善了工艺工程，该系统将高精度与高进给率结合起来，用于使用EHLA的增材制造、自由涂层和部件维修。“EHLA3D 结合了500-2000μm 厚的LMD 生产力，和具有30-100μm厚层的LMD 结构定向、精确构建，”激光技术研究所LMD 增材制造和修复小组组长Min Uh Ko 解释道，“EHLA 3D 处于50-300μm 的中间范围。”

　　接近最终轮廓

　　低稀释区和高冷却速率有利于该工艺。由于这些特性，由难以焊接的材料和多材料配对制成的组件可以实现额外生产。该过程显示了这项技术在3D 打印中的优势。Ko 解释道：“使用EHLA 3D，可以高效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，以及在自由曲面上涂覆涂层。”

　　在创纪录的时间内完成复杂的形状，这只有在适当的技术设计和数控程序路径规划下才有可能。效率来自于激光设备开启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 的进给率下，距离为100mm，效率M-PDE（与机器有关的粉末沉积效率）约为80%。在10m/s² 的加速度下，M-PDE 约为40%。

　　用废旧粉末进行可靠的3D 金属打印

　　该工艺的另一个特点是效率高。由航空材料Inconel 718制成的部件在五轴数控系统上以超过2 公斤/ 小时的沉积速度进行3D 打印，密度超过99.5%。亚琛大学的研究人员还调查了当用回收的金属粉末而不是新的金属粉末工作时，特性值是如何变化的。在这两种情况下，抗拉强度约为1300 兆帕。

　　Ko 解释说：“在这两种情况下，抗拉强度原来都和铸造一样好。”科学家Schaible 也得到了相同的答案，他的工作包括316L 不锈钢和铝硅合金部件的EHLA 3D 工艺开发。在这里，获得的机械性能也与常规生产的样品一致。目前，使用EHLA 3D生产的薄壁铝制部件的结构分辨率约为500μm。