利用激光器来打造金属部件的两种重要手段分别是粉末床法和直接能量沉积,后者又称之为激光金属沉积(LMD)。 Laserline 公司主要关注的是第二种类型。 根据应用,LMD 能够以更高的生产率(沉积速率可转化为更高的产能)生产出更大的部件尺寸,这是因为与粉床设备不同,这种增材制造工艺不受建筑空间的尺寸限制。在许多情况下,它的加工速度也要快得多。
基于本文中的示例,Laserline 确定了公司操作的四个主要的增材制造应用领域。这些领域除了通过增材制造生产完整部件外,还包括焊接修复应用或混合机械 ——这是一种传统机加工和激光技术的组合,第四个主要应用领域则是在常规制造的部件上提供功能区域。
64 钛粉末采用闭环过程控制进行增材制造(图片来源:Fraunhofer CLA)
增材制造技术能够在单个生产步骤中生成形状和结构,并且几乎没有材料损失,没有后期加工和零工具磨损(近净成形制造)。因此,可以使用粉末材料或线料。使用线料的好处是可以获得100%的材料利用率。
下图展示的是一个使用钛材料打造的增材制造例子,工艺中也运用了过程控制。 基于相机的系统(在这种情况下是E-MAqS)能够测量熔池的尺寸和温度。此外,它可以向激光源提供反馈并相应地调节激光功率以保持熔池的理想尺寸。这继而确保了零件制造的可重复性以及一致性,并且零缺陷。
另一个有前景的方法是将激光光源整合到机床中。有几种混合机床概念正在开发中:其中之一是增材和减材的结合,这实现了新的制造水平。 一个例子是激光器与5轴铣床的组合。 集成的二极管激光器逐层沉积粉末金属,形成非常紧致的固体金属部件。 之后的铣削操作不需要更改设置,可以直接在所需的区域完成表面加工。
传统的铣削机床与增材制造技术集成的示例(图片来源:DMG Mori-Seiki)
激光和铣削之间的灵活切换也能够对难以达到的最后一个部件的区域进行精加工。具有底切,内部几何形状和悬垂件的设计完全不需要支撑结构。如今,制造全新的结构和设计已经成为可能。所有可焊接金属,只要能以粉末形式出现,就可以被使用,例如钢,镍和钴合金以及钛,青铜或黄铜。
从Laserline 的角度看,增材制造的第三个重要领域是焊接修复应用。涡轮叶片的修复可能是最广泛使用于工业化领域的应用。蒸汽机中的涡轮叶片,尤其是前两排,承受了大量的腐蚀磨损。可以通过放置几层(主要是镍/ 钴基超耐热合金)的方式并沿着加工表面来修复磨损区域,而无需替换整个部件。
与制造新刀片相比,这种再制造流程节省了高达90%的材料和能源成本。尽管涡轮叶片是激光焊接修补中最突出的例子,该步骤也可以用来修复其它部件。例如,蜗杆轴,螺旋齿轮,模具等等。 当谈及增材制造时,大多数人都会联想到生产完整的零件。 但事实并不总是如此。 通常,从经济的观点来看,在合适的地方为常规(且相对便宜的)的生产部件增加一个功能区是更有意义的。
在这种情况下,100磅的耐磨钨铬铁合金21粉末材料沉积在金属管基体结构上以形成挤出机螺纹。 另一个例子是传感器需要屏蔽磁性干扰,可以在钻头上加上功能层。 鉴于此,通过使用常规和增材制造技术的巧妙组合,既可以生产出先进的零部件,又不会增加成本。
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