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细谈高功率高沉积率金属增材制造技术的最新进展

随着增材制造技术不断发展,美国爱迪生焊接研究所(EWI)发现,高沉积率金随着添加剂制造技术的发展。金属增材制造技术相比现阶段金属增材制造技术,可以打印更大的尺寸结构。但是该项技术难度很大,目前发展相对欠缺,因此也成为人们关注的焦点。

EWI根据其激光“吹粉”、电子束和金属电弧焊增材制造技术打印大型物件的经验,清晰地意识到:高沉积率金属增材制造技术面临着多重挑战和机遇。因此,大约两年前,EWI就承诺将内部研发资金用于探索和开发高功率、高沉积率的激光解决方案,以实现大型物件的增材制造。这份报告为上一年报告的延续,为仍在发展中的高沉积率金属增材制造技术,提供了更多的新信息、新见解,并分析了仍然面临的挑战。

数十种增材制造技术让设计师、制造商、甚至业余爱好者产生了浓厚的兴趣。在众多增材制造技术中,使用的材料包括聚合物、砂、金属等。金属增材制造的粉末床激光熔融技术(LPBF)吸引了最多的关注,基于LPBF的打印系统比其他金属增材制造类型都多。增材制造实现了“从CAD设计图到零件”一步转化的生产理念,简化了制造工艺,具有独特的吸引力。

虽然LPBF技术的许多重要细节仍有待解决,但其对其他增材制造解决方案的整体刺激作用是相当大的。最重要的是,对更高沉积率的金属增材制造的需求,促使人们越来越关注定向能量沉积(DED)解决方案,包括使用传统的电弧、电子束和激光技术进行金属熔化。而激光DED技术,可以分为两种,第一种是激光金属沉积(LMD),也被称为“吹粉”DED技术;第二种是金属线材送丝技术,这种技术发展相对较慢。

为什么用金属丝,如何融化它?

早在增材制造出现之前,就出现了使用电弧工艺作为加热源的金属熔覆方法。气体保护金属电弧焊(GMAW)增材制造工艺,最初是用来制造“各种装饰性和实用性物品”的,并于1925年获得专利(美国专利号#1,533,300)。这种加工工艺实际上就是今天所说的增材制造,虽然当时并未这么命名。

图1:离轴式激光DED送丝装置。

气体保护金属电弧焊定向能量沉积(GMAW DED)工艺起步很早,但主要用于维修、防腐和构建耐磨表面。如今,GMAWDED已经重新在增材制造领域发挥作用。而激光粉末DED技术除了用来打印完整的物体,甚至已经集成到机床中(包括铣削和车削),用于加工精密零件。那么,为什么线材对DED增材制造越来越有吸引力呢?

首先,所有形式的增材制造都变得越来越有趣,也越来越被人们所接受。那些以前从未考虑用增材制造打印大型物件的行业,目前正在密切关注着增材制造技术。航空航天、运输、金属成形和海军应用等领域,是大型构件激光增材制造的重点领域,而选择金属粉末还是金属丝作为金属源,具体对比如下:

线材比粉末更经济

线材利用率远高于粉末

线材定向能量沉积(DED)比粉末沉积更“整洁”

线材不会出现爆炸或引起呼吸问题

但线材也有其缺陷:

使用激光作为热源,丝材比粉末更难熔化

线材的输送以及直线度(缺乏直线度)可能存在问题

线材表面的辐射率变化很大,使工艺开发更具挑战性

将金属丝输送到激光加工区,已经在激光钎焊和激光焊接中应用了几十年,金属丝的送丝方向几乎都是与加工方向一致的。因此,激光线材DED最初的工艺开发,也是使用相同的线材进给方向和工艺移动方向。离轴式送丝方式(见图1)有利于激光加热/熔化,但这也使增材制造过程复杂化。因为在零件制造过程中,需要将送丝部件及所有相关的线路和管道结构等有效衔接起来,这对增材制造打印大型构件来说,非常具有挑战性。

对于激光线材DED,另一种方法是送丝方向与工作面垂直,激光就作用在线材的四周。这种“同轴”式加工方法,已经被众多激光系统制造商、增材制造系统制造商和光学器件供应商引入,包括Precitec、Laser Mechanisms、Fraunhofer、Meltio以及EWI等公司。在谷歌上搜索“同轴激光线材定向能量沉积”,能很容易找到许多相关应用案例。

同轴线材DED解决方案:

大多数现有的“同轴”线材DED解决方案,使用多个单独的激光聚焦光束来加热和熔化线材和工件表面。通常三束激光中的每一束,都必须精确地定位在线材周围,而且线材必须是笔直的,并且工作过程中不能摆动。在EWI的设计中,激光束是以真正的同轴方式传输到线材四周(见图2)。

图2:EWI同轴激光线材增材制造光学解决方案(专利申请中)。

EWI开发的这种激光线材DED方案,可以使用高功率激光,目前已测得的能够使用的激光功率高达20kW。两个反射式光束整形光学元件由Craig Walters博士设计,并由II-VI公司生产。这些光学元件都配备水冷装置,远离工作区,受Aero窗口保护。这种设计使设备的光学性能和线材的熔化能力都非常优异。

激光功率:20kW

功率传输:94%的光纤功率

不锈钢线材直径:1.6mm

送丝速率:855ipm

熔化速率:46lb/hr

熔化效率:36mm3/kJ

在金属线材四周产生圆柱形激光光束这样的光学设计,使光束在线材上产生了一段较长的照明区(见图3a)。但是由于线材的直线度不均匀,如存在“铸型”和“螺旋”等问题,致使增材制造沉积不均匀。

图3:金属线材上的(a)初始同轴光束和(b)修正后的同轴光束。

为了解决上述增材制造沉积不均匀的问题,EWI对光学系统进行了重新设计。改进后的光学系统也是使激光束形成圆柱形,围绕在金属线材的四周。但是聚焦效果更好,线材上产生的照明区域明显缩短,而辐照度明显升高(见图3b)。

激光辐照度升高,会诱导等离子体形成以及工件表面产生一定程度的飞溅,但对金属线材直线度的灵敏度降低,因此提高了工艺的稳定性。回过头来看,修正光学系统增加激光辐照度走了点弯路,但最终还是实现了比较理想的增材制造能力(见图4)。

图4:修正后的光学系统实现了“墙”状结构的打印效果。

图4中用308不锈钢增材制造打印的“墙”状结构的金属沉积率为28lbs/hr,这与典型的GMAW快速成型制造的沉积率相比更具竞争力。激光DED技术使金属线材与基体金属完全融合,形成单一的金属相,因此加工效果比较出色。

对激光线材DED增材制造技术的建议:

EWI的激光线材DED增材制造解决方案,已经证明具有较高的打印效率;

同轴设计中的光学系统,提供了较多的线材照明选择;

激光线材DED技术最终实现的沉积率,可能超过100lbs/hr;

需要对加热/熔化速率和沉积流动动力学进行数值建模;

其他线材、线材装置、激光波长和激光功率仍有待探索和实现。

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