3D 打印（又称增材制造）是当今最成功的生产技术之一。在一个欧盟项目的框架内，西门子开发了一种解决方案，可以比以前更有效地使用一种称为激光金属沉积的高速打印工艺。该解决方案为不断扩展的 3D 打印应用打开了大门。

在慕尼黑的西门子企业技术（如下简称 CT）实验室里，Daniel Regulin 正透过防护镜观察一束激光，这束激光在火花四溅中穿过一台工业发动机的半成品外壳。激光束正在熔化被喷嘴喷出的气流吹入的金属粉末。熔化的粉末正在一层一层地形成一个金属部件，这一过程被称为 "激光金属沉积"（Laser Metal Deposition, 简称 LMD）或激光沉积焊接（Laser Deposition Welding）。机器以不同的速度移动激光束，有时速度很慢，有时速度较快。" Regulin 解释机器的工作原理时说："通过这种方式，我们可以将不平整的地方磨平，从而最终生产出接近完美的工件。"这将有助于我们在自动化工业生产过程中越来越多地使用 LMD"。

一 用粉末床制造零件 

Regulin （下图右） 是 CT 公司数以千计的工程师、数学家和软件开发人员中的一员，他们与西门子各业务部门携手合作，共同推进未来技术的发展。3D 打印又称快速成型制造，正在改变工业生产的面貌。

如今，打印金属的主要工艺是选择性激光熔融（SLM），也称为粉末床法。在这种方法中，一个部件通过激光从腔室中的粉末材料床上一层一层地制造出来。多年来，西门子一直在通过模拟软件、3D 打印机控制系统、工业价值链数字化集成等手段完善这项技术，最后但并非最不重要的是，西门子还为能源行业提供了自己的 3D 制造产品，如燃气轮机燃烧器。

二 巨大优势 

然而，激光金属沉积（LMD）正日益被视为 SLM 的替代技术。美国市场研究机构 Research and Markets 的一项分析认为，在这个年轻的工业领域，LMD 是增长率最高的技术。

做出这一预测的原因显而易见。LMD 不依赖于压力室，而压力室会将印刷过程与周围环境隔开。使用 SLM 时，工作区域必须首先充入惰性气体，这是一个耗时的过程。而激光金属沉积技术则可以立即开始打印过程，因为惰性气体会直接从激光头流出，并包围粉末流和焊接池。

此外，LMD 技术允许激光头和工件更灵活地移动，从而为提高设计自由度和生产大型部件打开了大门 - 这在航空业和涡轮技术等领域具有潜在优势。此外，LMD 通常不需要任何支撑结构，这与粉末床方法相比是一大优势，因为粉末床方法中的支撑结构有助于平衡材料应力。由于这些结构仅在制造过程中需要，因此在打印完成后必须拆除和回收，这就要求随后重新加工这些部件的连接点。最后，激光金属沉积还能节约资源，因为几乎所有的原材料都是在生产过程中使用的。

三 降低 LMD 的变异性 

鉴于这些优势，CT 公司正与西门子的数字化工厂部门合作，将 LMD 技术更牢固地应用于工业生产中。"数字工厂部门的 Heinz-Ingo Schneider 说："我们已经掌握了 3D 打印工业自动化所需的全部技术诀窍。" 这就是为什么我们认为激光金属沉积具有巨大潜力的原因"。

不过，要想充分发挥 LMD 的潜力，还有很多工作要做。例如，该工艺的精确度不如 SLM。因此，成品部件通常需要重新加工，这也解释了为什么 LMD 机器通常与工业设备中的铣床相结合。如今，世界各地都在使用这种混合系统来生产飞机涡轮机和滚动轴承的精密部件。

考虑到这一缺点，Daniel Regulin 目前正专注于如何帮助数字工厂部门提高混合系统的运行速度和成本效益。具体来说，他正在研究 LMD 工艺的一个关键部分：金属层厚度的频繁变化，这决定了印刷部件的尺寸。这些厚度的变化有多种原因，例如，材料流发生计划外的变化。如果由机械臂承载的打印头的速度发生波动，厚度也会发生变化。

为了解决这个问题，西门子 CT 正在参与一个名为 PARADDISE 的欧盟开发项目（通过将基于激光的加法和减法工艺高效结合，为金属部件的大规模制造提供高效、经济、可靠的解决方案），该项目旨在最大限度地减少或消除 LMD 印刷工艺的可变性。

四 自我调节过程 

除西门子公司外，该项目的成员还包括西班牙机床制造商 Ibarmia 公司、亚琛工业大学和德国激光材料加工和光学测量技术专家 Precitec 公司。他们的工作重点是生产低压外壳和挤压螺杆（一种带有螺旋螺纹的圆柱体，在工业中用于将粘性物质通过开口挤压成型）。

在亚琛工业大学的支持下，Regulin 的项目团队在项目开发过程中贡献了一项开创性的发明。该团队开发了一种控制技术，其中 Precitec 传感器可精确计算出每层金属的厚度。为了实现这一目标，控制程序利用传感器测量光学相干，将元件的计划高度与实际高度进行比较。然后就可以通过改变印刷速度来调整层的厚度。结果就是一个里程碑。这种自我调节的工艺使混合机器能够更快地生产出部件，因为坯料所需的后处理更少。它所需的能源和材料也更少。这反过来又降低了高质量金属部件的成本。

Schneider 和 Regulin 目前正在考虑将这项技术集成到数字工厂部门产品系列中的可行方法。许多领先的 LMD 机器制造商都是这项过程控制技术的潜在客户。不过，长期目标是有朝一日将这一工艺发展到一定程度，使印刷部件在离开机器时处于可随时交付的状态。" Schneider 说："目前，后处理仍然是必要的，但我们已经可以在很大程度上提高工艺的可靠性。

转自：普雷茨特光学测量

本文首发于西门子 Siemens 官网，原文链接：

https://ww.siemens.com/global/en/company/stories/research-technologies/additivemanufacturing/additive-manufacturing-laser-metal-deposition.html

注：文章版权归原作者所有，本文仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。