Video在线视频

莱因哈特•波普拉维教授

激光技术研究院主席 亚琛工业大学

大家好 在这个视频中 我们将讨论一下激光添加剂制造

更广为人知的可能是3D打印

在添加剂制造中 我们根据直接来自计算机的信息构建材料

我们称之为数字光子制造

我们使用计算机中可用的设计作为相应的数据集

并直接将其用于生产 中间不需要任何其他工具

在这节课的概述中 我们将发现激光添加剂制造的基本原理并举几个例子

从历史上看 这一切都是从选择性激光定心开始变成选择性激光熔炼

激光金属沉积是一种不同的粉末沉积过程

最后 我将更全面地谈谈数字光子生产的前景

所以 在第一张幻灯片中 大家看到了一些历史上关于添加剂制造过程的例子

最初 立体光刻是由液体聚合物或层压板制成的

由单层纸型和两层金属制成

之后我们将重点讨论选择性激光熔炼和激光金属沉积

所有这些过程都有一个共同点 那就是它们一层一层地生产零部件 随后我会用幻灯片展示一下

我们将专注于其中的两个过程 选择性激光熔化和金属沉积

所以 这个过程的关键特征将会在这个非常简单的过程链中显示出来

我们从计算机的CAD模型开始

然后我们将信息分层

这或多或少与大家从电脑断层摄影中所了解到的相反

在这里 有一个3D图片和部分信息 以查看个别的截面

类似的技术是使用部分数据 各个层的数据

然后我们可以一层一层地打印零件

然后得到我们最初设计的三维重建图像

所以 我想要更详细介绍的第一个过程就是选择性激光定心和选择性激光熔化

在这个应用中 我们再次得到了三维计算机模型

它已经被分割成单独的层信息

在这里我们有一种材料粉末 一种金属粉末

所以 这个过程的细节是这样的 我们把激光辐射集中到一个粉末床上

可以说这些信息是转录到表面上的

然后我们把平台放低一些 大约几十微米 这取决于粉末晶粒大小

在上面再加一层新的粉末 然后这个过程又开始了

我们把下一层粉末熔到下层材料上

所以我们是一层一层地把粉末变成部件的

结果就是大家所看到的 在右边这个梦幻的部分 大家可以做出非常复杂的结构

这是切开来看的 然后取出剩下的粉末

所以大家看到了一个形状非常复杂的支架

只有通过其他方法才能艰难地制造出来

所以 在定心的过程中要看得更详细一点

通常 我们使用金属或涂有聚合物的金属粉末

聚合物是熔融的 然后加入金属颗粒

接着我们移动聚合物 也许我们要渗透一些低熔点的金属

才能得到化合物 金属化合物

但最终会形成一些金属结构

但是 还是会有一些毛孔

这或多或少是密度压强定义的一个过程 我们从这个过程中得到一些金属原型

这实际上是由于激光的强度和功率不足以充分利用那种熔融所致

所以在这种情况下 在这个过程中有化合物和一些剩余的孔隙度

尽管如此 这还是非常有用的 因为你可以真正地制造金属部件

随着高质量激光的出现 在90年代后期开发全金属工艺成为可能

所有这些金属加工都是慢慢发展起来的

多种材料和金属在选择性激光熔炼中得到加工

比如钛合金 铝合金 钢 钴 铬

陶瓷 生物相容材料和生物可溶材料等

在这一背景下开发的许多应用都具有简单的规模和方案

在生成这些部件时 将一层熔融材料置于另一层熔融材料之上

为了说明这个过程 我展示了一个视频 在这个视频中 大家可以更详细地看到这个过程

这是粉末层的沉积

然后它被压平 再后激光将信息记录到表面熔化的材料中

零件将在那里产生

然后是下一层粉末 下一层光照 一层一层地

在这种情况下 他必须符合一个注射模具的冷却组件

这是生产出来的 然后我们把没有使用过的粉末

进行再生和再利用

所以我们可以制造单独的部件 我们可以制造非常复杂的部件

在这种情况下 这些支架或晶格结构对于脊柱内的医用植入物没有额外的作用

这些例子说明了如何使用这个非常复杂的过程

只是 一个术语

实际上 同一种工艺有很多很多的名称

这取决于工艺或机器的工业起源的文化

例如 来自美国的同事称之为直接金属激光定心

SLM解决方案称之为选择性激光熔接 Trumpf称之为激光金属熔接 直接金属印刷

选择性激光金属印刷就是金属添加剂制造 激光处理

目前只有一个国际标准 叫做激光粉末床聚变

然而 激光选择性熔炼 选择性激光熔炼也经常用到

为了演示可能出现的复杂性 我已经向大家展示了一些应用程序

如果你认真对待这个问题 当然你可以设计组件

这是一个汽车零件

这是一根悬挂连杆 大家看到了吗？

是的 这是一种脚手架式结构 它的设计最大限度地提高了扭转和稳定性

然而 我们也可以根据轻量级的设计对它进行开发

通过真正使用非常薄的仪表 来增强微观结构内部

就像大家在这个切开的部分所看到的晶格结构 这是示例部分

在这样做的过程中 我们利用了从生物学中学到的知识

因为从骨头里大家可以了解到 它们在骨头里有一种海绵体

这些微小的骨桥保证了很高的稳定性

同时也保证了局部的灵活性

早期的应用显示在左边

单颗牙齿种植已经开发并在本世纪初的头几天进行销售

2000年初的头几天

这就是这种结构的性能

当然 你必须确保密度是1

所以 一旦它超过99.99 我们就讨论密度1

所以总是会有一些剩余孔隙

但在这个区域 它与铸造或其他金属制品生产工艺非常相似

看看机械性能 极限强度 生产强度 断裂延伸

然后你会在条形图中看到它的性能

在线条中 大家可以看到对应的每个属性的dean值

绿色是极限强度 蓝色是生产强度 断裂延伸是灰色

在所有的例子中 我们都远远超过了相应的标准给出的极限

因此 我们甚至可以通过相应的再凝固剪裁得到更高的数值

因此 如果我们用冶金学知识来调整凝固

我们可以根据这些机械行为和特性来调整性能

也可以局部地调整单个部件的性能

这真的是独一无二的 你不会发现任何其他的生产方法

当然 问题是我们如何将其扩展到更高的生产力 这里有几个概念

其中之一就是所谓的皮肤核心概念

这就像绘画 对于较大的区域使用较大的画笔 更多的能量 更大的焦距

用高的功率快速扫描材料表面

而在边界的皮肤区域 用精细的画笔

也就是说 在这个比喻中 你需要非常集中的辐射

才能得到高精度的零件边缘

皮肤核心技术 这导致规模因素的生产力约为2或3

我想讨论的下一个过程就是在这种情况下的激光金属沉积

正如大家在正确的方案中看到的 我们不使用粉末床 而是使用粉末喷流

我们还讨论了粉末状3D打印或添加剂制造

在这种情况下 粉末状喷流与激光束同轴 悬浮在所需的几何形状上

在那里 我们又一层一层地将其建立起来

现在就像我用指针写的那样 在这个结构上一层一层地写

在这种情况下 它只是一个正方形

在左边你们可以看到一些关于倾斜的试验例子 所以我们可以倾斜几何形状

我们可以把角度的方向改变到一定的角度 这是有可能的

现在大家看到的是这个过程的图片 很高兴看到同轴粉末流动

以及与激光的相互作用区域 激光同轴经过喷嘴

并在相互作用点或者说是在工具中心点熔化粉末

如果我们更详细地看这个过程 当然 会有激光能量的沉积

粉末的吸收 熔化过程 当然 还有热传导

如果大家看得更仔细一些 那么很明显

我们需要调整我们储存能量的速度

所以每个时间和长度所储存的能量 使得我们多多少少得到了恒定的温度

在表面 会有热积聚在边缘

我们可以减少激光功率或提高速度

因此 我 们可以相当均匀地构建这些层

在左边这个例子中 大家看到的这个例子 它只有半毫米宽

所以它可以非常精确

当然 在大多数实际的应用中 边缘是由再凝固熔体定义的

这对于一般的应用来说是不够的

所以在那之后 我们需要铣削加工

但是我们只磨掉非常薄的一层 也许只有零点几毫米就能得到最终的形状

这里展示的示例叫做Blisk

Blisk是一个刀片集成磁盘

涡轮叶片通常是用单个叶片来交换的

但最好是采用单体结构

如果有人能够修复这种磁盘上的磨损或磁盘上这种刀片的磨损

这就是为什么人们建造所谓的blisk

现在这些blisk经常被制造和维护

维护工作由激光金属沉积完成

在这个视频中 大家可以看到这个过程

所以在那个磁盘上 它开始于第一个层面上的单个刀片 所以磁盘也就是铸造

这很快就完成了

然后将较复杂的零件逐层加入激光金属沉积中

在这种情况下 您需要构建许多这样的刀片

你一层一层地做 等前一层冷却下来 然后再做下一层

这就是对加法制造总结出的简短介绍

在展望中 我想更多地强调这种工艺的经济性和规模效应

因为如果我们能够扩大生产规模 它们将对我们的生产世界产生重大影响

所以 在这里展示一下这个过程的结构特征

如果你看成本与批量大小 通常你会意识到

一种商品 你制造得越多 每件商品就越便宜

这就是经典的制造技术

然而 如果你观察激光过程 我们会发现它是非常不同的

因为它是第一批 与批次大小无关

如果大家考虑一下激光切割 这就没有区别了

如果你削减一部分或100部分 那就要考虑到每个部分的成本 因为你之后还会继续

其优点是 批量大小不依赖于成本 但成本相当高

所以 它只适用于非常小的批量

因此 未来的挑战和任务必须是降低这一曲线

为了提高生产效率 将激光生产线

与传统生产线的交叉部分转移到更大的批次批量上

公平地说 目前已经有了一项成就

已经开始正式生产了 批量生产了数万件

所以在这个领域 我们有了在增材制造中大批量生产的应用

下一个优点 当然就是它的复杂性 这很正常

我希望大家在演示部分已经非常清楚地看到了这一点

所以通常在传统制造中零件的成本会随着产品的复杂性而增加

正如大家在数字光子生产和加法制造中看到的那样

但也适用于其他激光应用 如激光烧蚀 钻孔 甚至是切割

我们不依赖于复杂性 因为我们没有工具

同样的 如果我们想提高效率 我们要做的就是降低成本

所以我们再次把交叉点移到产品复杂度更低的点

这意味着 它只在非常复杂的产品中没有意义

但是现在 在更简单的产品中使用它也是有意义的

所以 总结一下 在这项技术刚开始的时候

我们只在个别情况下使用这项技术

这就是为什么多年来 它一直被称为快速原型

而且它只适用于非常复杂的部分 相当复杂的部分

但是随着生产过程的发展 人们能够将曲线向下平移

目前它已广泛应用于系列产品和较简单零件的生产中

最后一个特点 我想重点谈谈减重的成本依赖性

如果我们想减轻重量 通常成本会增加

我们需要生产更复杂的几何形状 需要组合材料和轻量级结构

通常 这需要更多的成本

如果大家考虑添加剂制造 尤其是选择性激光熔炼

可事实并非如此

我们熔化的材料越少 生产这种部件所需的时间就越少 成本也就越低

因此 这种添加剂制造工艺的一个特点就是

重量的减轻与成本的降低直接有关

这很神奇 正如大家知道的 复杂性是免费的

正如大家在右边看到的一个例子 我们可以制作数字材料

在这种情况下 它是由几个球或支架组成的

大家可以在这种情况下设计任何想要的东西

所以 复杂性并不重要

唯一需要成本的是熔化的物质 也就是产品的重量

所以 我们在这个视频中看到了所有的可能性和挑战

在添加剂制造的生产力中的比例

我们可以看到其在不同的材料 甚至在材料组合中的比例

所以 可以说彩色打印机的最终愿景 当然是

改变整个产品设计的思维和相应的生产链

这就是数字光子产品的美妙之处

我们可以在电脑上设计一些非常复杂的东西 按下一个按钮 然后打印出产品