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激光添加制造
激光添加制造开辟应用新天地
材料来源:激光世界           录入时间:2010-11-30 9:12:16

Rob SnoeijsLayerWise公司

 LayerWise是位于比利时的一家致力于选择性激光熔结(SLM)技术的公司。SLM是一种非常强大的技术,其运用激光一层一层地熔结金属粉末的制造方式,可以制造出任何几何形状的金属零件。利用这种数字生产方法,只需要单一的生产步骤,就能够使复杂的循环零件(circulation part)获得最适宜的形状。而且,利用SLM技术生产出的零件,不仅具备更好的性能,而且还比通过复杂组装实现的零件更加牢固可靠。

SLM技术也是小型金属制品制造的理想选择,其可以实现成千上万的小型金属制品的同时生产。凭借SLM技术,LayerWise公司的产品除了广泛涉足工业应用领域外,也为整形外科、颌面修复和牙科治疗提供了革命性植入产品。LayerWise公司始终致力于用更少的材料制造出任何形状的高档合金零件,并且无废料产生,进而可将零件的单位重量降低达80%之多。

传统金属加工工艺的限制

传统的金属切削、铣削、电火花加工(EDM)以及其他高质量、高效率的金属加工工艺,都是通过去除金属材料的方式实现产品加工,虽然每种加工工艺都有很多种工具和配件可供使用,但是每种加工工艺去除的材料都是有限的。

图1:a)通过逐层建立金属零件,可以实现凹槽、脊、腔以及具有内部特征的极其复杂的零件形状。 b)根据输入的设计规则,选择性激光熔融(SLM)技术能够克服重重障碍,最大程度地实现零件优化。

充分了解金属加工过程的产品设计师,会提前考虑到他们设计的零件在加工中会受到哪些限制。而且从某种程度上讲,产品设计师在设计新部件时,还要花费一定的精力考虑用什么方法生产这些零件;然而事实上,产品设计师最希望将所有精力都集中在零件功能的设计上。因此,传统金属加工过程在几何形状方面受到的限制,不得不迫使产品设计师缩减零件的功能,或者是选择更加复杂的组装过程。

            
       逐层制造零件

“在LayerWise公司,我们完全逆转了传统的金属加工过程。”LayerWise公司工业部门总监Jonas Van Vaerenbergh说,“我们的核心业务是选择性激光熔结技术,该技术通过一层一层添加材料的方法制造零件,这与传统的用不同的加工步骤将金属材料去除的制造方法完全不同。此外,我们还针对不锈钢、淬火钢、钛、铝、铬镍铁合金等广泛的金属和合金材料,专门对加工过程进行了优化。”

SLM加工系统用高精度的激光熔结金属粉末微粒,选择性地建立一个20~40μm的水平金属层。激光束快速准确地照射金属粉末微粒,并充分熔结,以至于在不需要任何胶合物或液体粘合剂的情况下,就能使新材料附着到之前的层面上。

SLM加工系统采用高能量密度的光纤激光器,激光器运转稳定,从而确保制造出的金属零件具备致密、均匀的材料结构。整个SLM加工系统只需要用CAD软件直接驱动,而不再需要任何编程、钳工或其他工具作业。SLM加工系统能同时连续加工多达2500件不同形状的金属零件。因此,SLM技工系统能够在较短的时间内制造出形状复杂的零件,其带来的经济效益不言而喻。

形状自由无限制

除了能够为小型金属制品提供高效、具有成本效益的加工方式外,SLM加工技术对于产品的几何形状也没有太多的限制。Van Vaerenbergh解释说,一层一层地制造零件的方法,保证了在制造过程中激光能够均匀地到达零件的任何位置。用这种方法能够实现很多复杂的形状,如凹形、脊形、腔以及特定的内部特征。

“通常,我们制造出的产品是很难用任何其他方法制造出来的。我们创建了一种完全不同的制造方法,消除了实现零件最优化的所有障碍。” Van Vaerenbergh补充道。
 
以LayerWise为Diametal公司制造的燃烧器为例。Diametal公司是比利时一家合同制造商,主要致力于使用电脑数控铣床和车床加工金属零件。同食品和制药行业的机器制造商一样,Diametal公司也在不断面临着生产复杂的循环零件的挑战,这些零件包括混频器、入口部件和出口部件、分配器、耦合零件以及热交换器件等。

Diametal公司的燃烧器中包含9个凹陷部分(undercutting)和6个内部腔。LayerWise公司应用SLM技术,将该部件作为一个整体单元,通过单一生产步骤制造出来。这个过程被称为功能集成,因为这个利用SLM技术生产出来的燃烧器部件,取代了用传统金属加工工艺生产的多个零件。传统的制造方式通常是采用不同的金属加工工艺生产出多个零件,然后再将这些零件组装成想要的部件,这个过程不但耗费时间,而且不容易保证各个零件之间的密封连接,这自然就降低了部件的可靠性。

图2:a)LayerWise公司应用SLM技术,通过单一生产步骤制造出了包含9个凹陷部分和6个内部腔的燃烧器,完全取代了传统的复杂装配。b)在生产注塑模具过程中加入最佳冷却通道,可以显著提高注塑成型的质量和速度。

Van Vaerenbergh解释说,功能集成使SLM技术适合解决小型化、渗漏以及装配问题。“尽管这个燃烧器的结构非常复杂,但是我们并没有因此而向Diametal公司加收额外的加工费用,因为我们的生产成本依赖于部件的重量,而不是其复杂程度。这一点也充分表明了SLM技术能以合理的成本制造性能卓越的产品。”

优化循环管道

SLM技术提供高效、灵活设计的一个绝好的例子是生产连接冷却管道的部件。首先,添加制造方法使部件的重量减少了75%的重量减少;其次,设计师能够用自由曲面定义管道的几何形状,从而能大幅降低流动阻力。LayerWise公司生产的零件,精确地按照CAD的设计实现了想要的功能,最终使循环性能获得了80%的改善。

 Van Vaerenbergh表示,利用SLM技术制造注塑模型内镶件,也会产生非常完美的成果。“由于SLM加工对形状没有限制,因此冷却通道遵循模具的形状放置。与常规的方法相比,这是一项重大的改进。优化的管道形状和位置,确保了对冷却过程的更好控制,进而能实现没有变形的、更高质量的零件,并且几乎没有热点。而且,SLM技术还能将这些零件的生产周期缩短15%,这将带来巨大的经济优势。”

致力于技术领先

LayerWise公司是比利时第一家专注于金属零件添加制造的生产中心。该公司是由Jonas Van Vaerenbergh和Peter Mercelis联合创建的,两人在比利时鲁汶大学紧密合作,开发选择性激光熔结技术。LayerWise公司与比利时鲁汶大学有着深入的合作,并且将其30%的资源投入研发领域,旨在推进SLM技术的发展。
      

图3:a)通常,LayerWise公司制造出的产品是很难用任何其他方法制造出来的。LayerWise公司并不会因为零件的形状复杂而加收额外的费用,因为其生产成本是由零件的重量决定的。b)通过专利的DentWise技术,完全消除了传统的模压或钻孔加工方式对几何形状和表面的限制。

“通过汇集技术专长、生产能力与客户支持,LayerWise公司在欧洲金属加工市场占据着独特的地位。”Van Vaerenbergh说,“我们的工程师对SLM技术的控制已经达到了非常娴熟的地步,从而实现最具挑战性的产品制造。现在,我们能够生产出15μm的几何精度、创建厚度为0.2mm的薄壁,还能实现一些用传统加工技术实现起来非常困难的零件。另外,在熔结区流程控制工具的使用对于保证零件的高质量也是非常重要的。”

通过对生产过程的完全控制,LayerWise公司实现了均匀的微观结构,对于越来越多的金属和合金加工,其都能实现高达99.98%的相对密度。研究表明,用SLM技术制造出的金属零部件,其械性能几乎与传统的金属相同。为了证明这一点,LayerWise公司对制造出的零件系统地进行了金属密度、硬度、伸长率和疲劳度测试。而且零件制造之前,大块金属粉末的化学成分也已经在化学实验室进行了检验。

 无监视加工

SLM加工系统能将CAD文件直接转换成三维几何形状,而无需其他任何工具作业,可以在无人监视的情况下全天候运行,因此SLM加工是一种非常具有成本效益的金属加工方法。

 当零件从SLM加工系统中取出来后,还可以对其进行各种精整加工。如果需要的话,也可以使用传统的金属加工工艺,如钻孔、切割和EDM,也可以对某些零件的表面进行硬化。最后,用户还可以根据需求对零件表面进行高度抛光。

牙科微观结构

LayerWise公司的产品也广泛涉足医疗行业,例如为医疗行业生产可植入性微观结构。根据用医疗成像或三维扫描获得的特定病人的几何数据,用软件设计出个性化的微观结构,并立即用钛印刷出来。最后,牙科医生将微观结构植入完成最后的修复工作。

“数字化SLM技术完全消除了传统的模压或钻孔加工方式对几何形状和表面的限制。”牙科医生Peter Mercelis说,“此外,植入连接也是用最高的精度实现的。”

该微观结构是采用超强的钛合金(Ti6Al4V,V级)制造的,其机械性能远优于常用的II级钛合金。

整形与颌面植入物

除了牙科应用领域外,LayerWise也为其他医疗应用提供专业产品。在颌面重建过程中,外科医生插入一个由LayerWise公司制造的颧骨。植入物的复杂形状是根据医疗数字成像信息获得的,并最终通过SLM技术生产出来。借助SLM技术,患者的面部对称性可以恢复得几近完美。
       

 图4:a)个性化的整形植入物通常是用钛生产的,并具有精细的几何表面,非常有助于表面形状的修复。b)在一个整形植入物中集成了一个钛金属表面层结构,其有助于表面形状的恢复,且易于植入手术操作。

对于外科整形植入物,逐层建造金属的过程,能够设计出可以替代骨头的多孔结构、并将其植入假肢中,同时能实现良好的长期性固定。除了在医疗成像基础上设计的个性化植入物外,SLM技术可用于医疗仪器的制造。LayerWise公司还针对医疗仪器的制造,特别提供了大量生物相容性金属合金。

发展前景

LayerWise公司成立两年来,已经取得了大幅的增长。最近,该公司已经与一些分销商合作拓展欧洲市场,这也是其全球化发展战略的一部分。“我们在向不同的行业介绍了SLM技术以及该技术所能带来的优势后,很多公司都真正意识到了他们能够从SLM技术中受益。Van Vaerenbergh说,“添加金属加工过程完成改变了传统的设计和生产规则。我们与客户一起完成项目,使我们的客户能够有大量机会创建具有更高附加值和更具成本效益的产品。相信SLM技术将迎来广泛的发展前景。”
 


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