Fraunhofer ILT用于大型零件3D打印的“边飞行边加工”的LPBF概念
在亚琛Fraunhofer激光技术研究所ILT的领导下，“futureAM – 下一代增材制造”于2017年11月推出，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍。除了Fraunhofer ILT，另外五家Fraunhofer研究所（IWS，IWU，IAPT，IGD和IFAM）参与了该项目。
根据这一目标，Fraunhofer的六家研究所于2020年11月结束了该项目，并共同实现了系统技术、材料和过程管理以及连续数字化方面的技术飞跃，从而提高了整个过程链中金属增材制造的效率和成本效益。本期，3D科学谷与谷友共同来领略futureAM项目中Fraunhofer ILT用于大型零件3D打印-增材制造的新型"on the fly" (“边飞行边加工”)的LPBF概念。
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▲Fraunhofer ILT用于大型零件3D打印的“边飞行边加工”的LPBF概念
©Fraunhofer ILT，德国亚琛
On the Fly
自1990年代中期以来，位于德国亚琛的Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所一直在开发增材制造工艺“基于粉末床的选区激光熔化技术（LPBF）”，从那时起，Fraunhofer ILT一直在不断推进整个LPBF工艺链的发展。
Fraunhofer ILT研究所的目标是对用于工业生产的工艺进行鉴定，并将其整合到现有的生产工艺中。为了实现这一目标，Fraunhofer ILT的专家与来自行业和研究领域的用户一起在跨学科的基础上合作。
▲突破技术极限，打开下一代增材制造大门的Fraunhofer技术跳跃Technology Leap
©Fraunhofer ILT，德国亚琛
由于LPBF可直接根据CAD数据逐层构建零件，因此无需使用模具即可从金属材料生产高度复杂的组件，成就复杂零件、免去模具、实现真正意义上的数字化生产，LPBF这项工艺所带来的颠覆潜力是巨大的。
▲通过On the Fly（边飞行边加工）LPBF技术制造的大型零件
©Fraunhofer ILT，德国亚琛
LPBF加工过程中所使用的组件（激光器、光学器件、粉末应用单元和轴系统）会影响整个系统的各种属性，例如过程速度、停机时间、组件质量和自动化能力。Fraunhofer ILT基于激光领域的研发造诣，Fraunhofer ILT拥有各种激光束源（波长，强度分布，多千瓦功率）的开发基础，并拥有表征LPBF设备（激光，光学和保护气体）的测量经验，其跨界的学科知识为实现LPBF工艺的进化提供了独特的基础。
为了提高系统的生产率，基于激光束源和光学系统开发领域的深厚专业知识，Fraunhofer ILT开发的用于大型零件3D打印的“On the Fly”-“边飞行边加工”的LPBF概念实现了扫描振镜和线性轴系统的同步运动。根据3D科学谷的了解，视频中的样机只是为了呈现新型LPBF概念机的设计理念。样机的特点是可扩展性，设备商可以在此基础上根据自身的要求与Fraunhofer ILT合作进一步开发不同的构建体积，配备不同数量的激光光束等等。
Fraunhofer ILT为设备商提供的研发服务包括：
l 可扩展机器概念
LPBF要成功地工业化，其基本前提是设备的可扩展性-在构建体积和生产效率方面。3D科学谷了解到为此，Fraunhofer ILT正在开发基于移动处理头并带有局部保护气体引导的创新机器概念，这些概念可简化构建体积。同时使用多光束源系统来提高生产率，这将经典的振镜扫描和新颖的运动学概念实现了精妙的结合。
▲Fraunhofer ILT用于大型零件3D打印的“边飞行边加工”的LPBF概念
©Fraunhofer ILT，德国亚琛
l 激光束源和光学系统
通过使用合适的激光和光学系统，可以提高LPBF-基于粉末床的选区激光熔化技术的工艺和成本效率。Fraunhofer ILT正在测试具有短波长光的新型激光束源，以促进有效的能量耦合，特别是对于高反射率的材料，例如纯铜。
▲Fraunhofer ILT开发新型光束用于高反射材料加工
©Fraunhofer ILT，德国亚琛
根据3D科学谷的进一步了解，具有成本效益的二极管激光器系统已经可以在LPBF-基于粉末床的选区激光熔化技术和为自适应光束整形而开发的光学系统中使用，这两种技术都可以实现更高的加工效率。
根据3D科学谷的深度了解，Fraunhofer ILT还开发了MultiFlex多光束灵活的迅疾激光技术，虽然，我们还不能确定这种技术是否将应用于增材制造领域，但是可以肯定的是这种下一代的激光技术将为激光技工领域打开更广阔的空间。
l 强大的预热系统
适当的预热可以防止LPBF-基于粉末床的选区激光熔化加工过程组件的变形和破裂。Fraunhofer ILT拥有预热系统技术，可达到1200°C的温度，使易开裂的复杂材料能够无裂纹地加工。除了常规的构建平台加热外，根据3D科学谷的进一步了解，Fraunhofer ILT还正在开发新颖的系统，用于在过程级别直接进行预热。这使得能够实现恒定的预热条件，而不管零部件的尺寸如何。
▲Fraunhofer ILT的预热系统技术
©Fraunhofer ILT，德国亚琛
l 过程监控和数据分析
可重复的加工过程和一致的组件质量对于LPBF-基于粉末床的选区激光熔化技术进入批量生产至关重要。为了保证这一点，需要合适的过程监控系统。Fraunhofer ILT使用高温计和基于摄像头的系统来分析和监控LPBF过程。根据3D科学谷的进一步了解，Fraunhofer ILT还正在研究用于将与过程相关的数据集成到基于云的系统并配合以合适的算法的人工智能平台技术。
©Fraunhofer ILT，德国亚琛
基于多年的经验和能力，Fraunhofer ILT的专家可以从设备厂商的最初想法到可行性研究和概念开发，再到将系统实施和集成到真实的生产环境中，为用户提供单独的研发支持。
而以亚琛Fraunhofer ILT, 亚琛Fraunhofer IPT，亚琛工业大学等研发资源为基础还成立了亚琛增材制造中心ACAM，通过ACAM聚集亚琛的资源以及应用端的需求，从而进一步推动行业发展。目前有超过100多名科研人员从事增材制造的科研，ACAM集中亚琛的优势资源推动增材制造认证、联合研发、培训教育、产业孵化等多方面的发展。从亚琛在增材制造领域的强大竞争力中受益，解锁增材制造复杂奥秘，ACAM是增材制造领域的称职研发合作伙伴。
▲ACAM为复杂的增材制造导航，视频中ACAM的双总裁Schleifenbaum教授来自Fraunhofer ILT和亚琛工业大学DAP学院主席，Arntz博士来自Fraunhofer IPT。
©ACAM，德国亚琛
关于Fraunhofer、ACAM引领增材制造产业化前沿技术发展的更多领先进展，3D科学谷将展开持续介绍，敬请保持关注！
l AMPOWER与3D科学谷正在合作面向全球欧洲、美洲、亚洲市场发布的2020年全球增材制造研发市场报告，欢迎中国企业积极参于有关3D打印领域设备、软件、材料的研发市场调查，敬请扫码参与调研。
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延伸阅读:
Insights l 强大欧洲背后，一文洞见Fraunhofer IPT的智造赋能力量！
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