在過去幾十年中，有兩種基于激光的方法在增材制造領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位——第一種方法，是利用激光在粉末床的二維輪廓上構(gòu)建一個(gè)更大的三維結(jié)構(gòu)；第二種方法是將材料沉積在表面上，然后用激光熔化，形成新的表面。與其他激光加工工藝相似，在精度和加工速度之間取得平衡至關(guān)重要。

 專為超高速激光材料沉積（EHLA）技術(shù)而改裝的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床可在橫向上執(zhí)行高度動(dòng)態(tài)和精確的工具運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備配有旋轉(zhuǎn)和傾斜工作臺(tái)，適用于快速成型制造和自由形狀表面涂層。（Fraunhofer ILT供圖）

事實(shí)證明，這種參數(shù)之間的折衷是區(qū)分工藝的有效標(biāo)尺。

上世紀(jì) 90 年代，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT，簡(jiǎn)稱 ILT）的開發(fā)人員獲得了該創(chuàng)新的基本專利，并將第一種方法命名為激光粉末床熔融（LPBF）。從那時(shí)起，業(yè)界人士就為這一工藝創(chuàng)造了許多不同的名稱，這些名稱通常指各種高度相似的方法。這些方法包括選擇性激光熔化（SLM，尼康 SLM 解決方案）、直接金屬激光燒結(jié)（EOS）、激光熔化（Concept Laser）和激光金屬熔融（TRUMPF和Sisma 3D）。但萬變不離其宗，這些變體仍然屬于直接金屬打印以及金屬LPBF的范疇。

第一種方法LPBF的基本程序相對(duì)簡(jiǎn)單：激光束擊中均勻粉末床中的一個(gè)點(diǎn)，并在沿著輪廓移動(dòng)的同時(shí)將其熔化。接下來，添加新的粉末層，激光再次啟動(dòng)，如此往復(fù)……隨著時(shí)間的推移，激光會(huì)在二維輪廓的基礎(chǔ)上形成三維形狀。三維造型完成后，多余的粉末會(huì)被清除。再進(jìn)行后處理，去除支撐結(jié)構(gòu)或獲得完美的表面。

第二種方法是定向能沉積（DED）或激光金屬沉積（LMD），有時(shí)也稱為激光熔覆。在這一工藝中，激光在工件表面形成熔池，粉末狀或線狀填充材料不斷進(jìn)入熔池并熔化。激光同時(shí)熔化基體和填充材料，從而在涂層和載體部件之間形成熔融冶金結(jié)合。選擇這種方法通常是為了提高表面的機(jī)械性能或硬化表面以防止腐蝕。

這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。如圖1所示，LMD擅長(zhǎng)在精度有限的情況下提高堆積速度，而LPBF則能獲得更好的結(jié)構(gòu)分辨率，但通常速度較慢。LPBF是生產(chǎn)小批量復(fù)雜零件的標(biāo)準(zhǔn)工藝，而LMD則有助于經(jīng)濟(jì)地修復(fù)磨損的表面，如渦輪機(jī)部件的磨損表面。

圖1.在增材制造（又稱3D打印）中，總是需要在堆積時(shí)間和結(jié)構(gòu)分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡。這在激光粉末床熔融（LPBF）與激光金屬沉積（LMD）之間，以及在考慮極高速激光材料沉積（EHLA）時(shí)都很明顯。（Fraunhofer ILT供圖）

高速激光材料沉積

幾年前，弗勞恩霍夫ILT 和亞琛萊茵-西法萊茵技術(shù)學(xué)院 (RWTH) 的德國(guó)研究人員開發(fā)出一種工藝，用于取代有毒鉻硬鍍和熱噴涂等工藝。這一進(jìn)展是在2017年歐洲法規(guī)禁止包括硬鍍鉻在內(nèi)的有害技術(shù)之后取得的。新開發(fā)的工藝能夠在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部件上快速鍍上金屬合金，以提高耐腐蝕性和耐磨性。

這種工藝被稱為 “超高速激光材料沉積”（EHLA，德語(yǔ)），其主要目的是使用噴嘴在工件表面沉積金屬粉末，并在粉末到達(dá)工件表面之前用激光束將其熔化。這種機(jī)制與傳統(tǒng)的LMD有很大不同，后者是在工件上的熔池中熔化填充材料。

EHLA的加工速度介于20~500m/分鐘之間，鍍膜速度大于5m²/小時(shí)。它還解決了涂層厚度的問題。使用傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)，涂層厚度通常要求在500 ~1000μm之間。而EHLA工藝可使涂層厚度小至25~250μm。

此外，各層都是無孔的，并能牢固地粘合在基底上。EHLA工藝使用約90%的粉末材料進(jìn)行涂層沉積。這使得該工藝的效率大大提高。此外，由于焊接熔池小、涂層薄、最小熱影響區(qū)約為10 μm，因此用戶可以加工難以焊接的材料和材料組合，例如鐵（Fe）、鎳（Ni）、鈷和銅的合金，以及金屬玻璃和高熵合金。

如今，EHLA已成為各種工業(yè)應(yīng)用的既定方法。其中包括為汽車行業(yè)制造制動(dòng)盤、活塞和汽缸以及汽車軸承。目前，主要的制造商都在銷售應(yīng)用這種工藝的機(jī)器，這些機(jī)器目前已在歐洲、美洲和亞洲的多個(gè)國(guó)家投入生產(chǎn)。

噴嘴和光學(xué)器件

粉末和激光功率的同軸供應(yīng)對(duì)任何LMD加工的質(zhì)量都至關(guān)重要。對(duì)于像 EHLA這樣的快速工藝來說尤其如此。因此，弗勞恩霍夫ILT團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列定制噴嘴和光學(xué)器件。

在粉末噴嘴方面，團(tuán)隊(duì)解決了兩個(gè)難題：首先，粉末氣體噴射應(yīng)該是可調(diào)節(jié)的，以優(yōu)化粉末向激光束的噴射過程。其次，粉末氣體射流應(yīng)該密集，以最大限度地提高粉末效率。

為了滿足對(duì)噴嘴組件的要求，研究人員開發(fā)了一種粉末氣體噴射管，以實(shí)現(xiàn)均勻的粉末分布。結(jié)合保護(hù)氣流，他們使粉末氣流適應(yīng)了激光束焦散，同時(shí)優(yōu)化了粉末聚焦。通過對(duì)粉末流動(dòng)表面進(jìn)行表面處理，研究人員大大延長(zhǎng)了工藝的使用壽命。此外，針對(duì)難以進(jìn)入的區(qū)域，他們還開發(fā)了一種橫向粉末噴嘴，將粉末射流橫向?qū)爰す馐?/p>

在常規(guī)設(shè)置中，激光束位于噴嘴結(jié)構(gòu)的中心，粉末氣體噴射呈錐形進(jìn)入噴嘴，以確保加工方向不受影響。由于送入的金屬絲不可能是錐形的，因此金屬絲必須位于中心，而激光束本身也必須是錐形的，以避免加工過程中的雙向依賴。

這一原理提出了一個(gè)問題： 如何在不中斷激光束的情況下將金屬絲送入激光焦點(diǎn)？

弗勞恩霍夫ILT的科學(xué)家們利用特殊的光束整形光學(xué)技術(shù)克服了這一瓶頸。首先，激光束被轉(zhuǎn)換成環(huán)形，然后被分成兩個(gè)半圓；這兩個(gè)半圓被聚焦到工件上，并在最終的激光焦點(diǎn)上重新組合（圖2）。其他基于線材的加工光學(xué)鏡組也采用了類似的方法，即在線材周圍同軸布置多束離散激光。

圖2.定制光學(xué)器件在中心線上形成同軸的圓形焦點(diǎn)。該解決方案旨在避免激光束中斷和/或扭曲，同時(shí)又不妨礙極高速激光材料沉積（EHLA）操作。（Fraunhofer ILT供圖）

EHLA為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部件提供了一種動(dòng)態(tài)解決方案。但是，工程師總是傾向于預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，因此弗勞恩霍夫ILT開始關(guān)注運(yùn)動(dòng)學(xué)。

自 2019 年以來，弗勞恩霍夫ILT一直在同時(shí)研究?jī)煞N系統(tǒng)工程方法，以便將EHLA涂層技術(shù)轉(zhuǎn)移到快速成型制造和自由形態(tài)加工中。第一種是與制造解決方案公司firmponticon GmbH合作，采用三腳架運(yùn)動(dòng)學(xué)（vmax=200m/min）方法，使用固定加工光學(xué)元件。第二種是與工具制造商Makino Asia Pte Ltd合作，采用改進(jìn)的五軸計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（vmax=30m/min）。在第一種方法中，工件是移動(dòng)的，而在第二種方法中，激光光學(xué)元件是運(yùn)動(dòng)的。

重要的是，3D方法保留了原始EHLA解決方案的優(yōu)點(diǎn)：低傳熱和有效的粉末利用率（大于90%）。這些優(yōu)勢(shì)與高3D生產(chǎn)率相結(jié)合。在結(jié)構(gòu)分辨率方面，原始LMD厚度為500~2000μm，可與LPBF厚度為30~100μm的結(jié)構(gòu)定向精確堆積相媲美。EHLA 3D的厚度介于50~300μm之間，處于上述數(shù)值的中間位置。

圖 3.超高速激光材料沉積（EHLA）方法已轉(zhuǎn)入改進(jìn)型五軸計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，噴嘴可在系統(tǒng)中移動(dòng)（上圖）。（Fraunhofer ILT供圖）

圖 4.弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所首創(chuàng)的超高速激光材料沉積（EHLA）3D工藝目前已應(yīng)用于多種領(lǐng)域。除了五軸計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)外，該方法還被應(yīng)用于帶有固定噴嘴的三腳架運(yùn)動(dòng)中。（Fraunhofer ILT供圖）

制造出的固體體積無裂紋，相對(duì)密度大于99.5%。迄今為止，已有多種材料通過驗(yàn)證。其中包括鐵基材料（316L、M₂）、鎳基材料（IN625、IN718和IN738）、鋁基材料（AlSi₁₀Mg、AlSi₁₂、AlMg 等）以及Ti₆₄、CuSn₁₂Ni₂和鋁青銅材料。此外，還對(duì)回收粉末進(jìn)行了測(cè)試。

EHLA 3D工藝已經(jīng)過驗(yàn)證，目前正用于各種應(yīng)用中。雖然可以說鋁薄壁部件的制造是其中之一，但大多數(shù)應(yīng)用都在保密協(xié)議范圍內(nèi)。例如，航空航天技術(shù)中難磨削材料的修復(fù)就是EHLA 3D關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。

金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)從一個(gè)研究課題發(fā)展成為一個(gè)成熟的解決方案。目前有多種工藝可供選擇，其結(jié)構(gòu)精度和生產(chǎn)能力各不相同。隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用任務(wù)而不是某種技術(shù)的可用性來選擇首選工藝。