Insights l 开拓激光未来,一文洞见Fraunhofer ILT的研究版图!

德国Fraunhofer(弗劳恩霍夫)应用研究促进机构于1949年3月26日在慕尼黑成立,如今发展至70多个研究所,近3万科研人员,是德国先进制造业的基石。Fraunhofer的研究工作完全针对人们的需求:制造、健康、安全、通讯、能源和环境。Fraunhofer的研究人员和开发人员所做的工作对人们的生活产生了重大影响。Fraunhofer很有创造力,Fraunhofer塑造技术,Fraunhofer设计产品,Fraunhofer开拓新的远景。简而言之,Fraunhofer开拓未来。

Fraunhofer的发展本身像一部推进科技改变生活的写实画卷,同时也见证了科技改变生活的神奇魅力。3D打印是一门跨界的技术,涉及到机械、激光、材料、数据、感应器监测、数字孪生、后处理、检测、人工智能、工业互联网等方方面面,随着3D打印的发展,Fraunhofer作为一个研究领域极其交叉和跨界的庞大的有机组织将为世界的创新发展注入更多的能量。

Fraunhofer如何赋能3D打印等现进制造技术?本期,3D科学谷特别与谷友分享Fraunhofer旗下72家研究所中的一家Fraunhofer ILT激光技术研究所,从中一起领略强大的欧洲制造背后,年研发经费超过150亿的Fraunhofer如何发挥中坚力量并不断的与时俱进,预见未来!

Fraunhofer_1Fraunhofer ILT激光技术研究所

block 激光变革创造与测量

弗劳恩霍夫激光技术研究所-Fraunhofer ILT拥有540多名员工,净建筑面积超过19,500平方米,是全球特定领域最重要的开发和合同研究机构之一。ILT的研究活动涵盖了广泛的领域,例如开发新的激光束源和组件,基于精确激光的计量学,测试技术和工业激光加工工艺。这包括激光切割、探洞、钻孔、焊接和锡焊以及表面处理、微处理和增材制造。

此外,Fraunhofer ILT从事激光设备技术,过程控制,建模和仿真以及整个系统进化的相关技术。Fraunhofer ILT提供针对特定客户生产线的可行性研究,工艺鉴定和激光集成。

Fraunhofer ILT包括五大研究板块:激光和光学、激光加工、医疗技术与生物光子学、激光测量技术和EUV技术、数字化。

1 激光和光学

Fraunhofer ILT激光和光学技术领域致力于开发创新的激光束源以及高质量的光学组件和系统。Fraunhofer ILT经验丰富的激光工程师团队构建的光束源具有量身定制的空间,时间和光谱特性,范围从μW到GW。这些光源种类繁多:从二极管激光器到固态激光器,从大功率连续激光器到超短脉冲激光器,从单频系统到宽带可调激光器。

在固态激光器领域,激光振荡器以及具有出色功率数据的放大器一直是Fraunhofer ILT关注的焦点。特别是在短脉冲激光器和宽带放大器领域,Fraunhofer ILT可以提供许多专利和数据作为参考。

此外,Fraunhofer ILT在光束整形和引导,光学高功率组件的包装以及光学组件的设计方面拥有大量专业知识。Fraunhofer ILT还专门研究尺寸高效的自由形式光学器件,Fraunhofer ILT开发的激光器和光学器件可以应用于从激光材料加工、测量工程、照明应用和医疗技术的所有领域,并被广泛用于航空航天应用,量子技术和纯研究领域

2 激光加工

在许多制造工艺中,激光加工、微观和宏观技术的切割和焊接以及表面成型工艺中,激光是最重要的。无论是激光切割或激光焊接、钻孔或钎焊、激光金属沉积或清洁、抛光、增材制造,Fraunhofer ILT研究范围涵盖过程开发和可行性研究,模拟和建模以及生产线过程集成。

Fraunhofer ILT的优势在于其广泛的专有技术,可根据客户要求量身定制,Fraunhofer ILT与专门的合作伙伴一起提供完整的系统解决方案,包括特殊工厂、工厂改造和其他定制化项目是众多研发项目的组成部分。例如,根据客户的特定需求,Fraunhofer ILT正在开发和生产用于激光材料加工的特殊加工部件。此外,通过更改组件设计和系统来监控工艺质量,客户可获得特定于激光器的解决方案,其中包括材料、产品设计、构造、生产方式和质量控制。Fraunhofer ILT技术领域吸引了来自各个领域的激光用户:从机械加工和工具制造到光伏技术和精密工程,一直到飞机和汽车制造。

EHLA技术

2017年Fraunhofer ILT的研究人员开发了一种用于涂层和修复金属部件的增材制造方法-EHLA超高速激光材料沉积技术。Fraunhofer激光技术研究所认为,超高速激光材料沉积技术(EHLA)具有替代当前腐蚀和磨损保护方法如硬镀铬和热喷涂的潜力。

根据Fraunhofer激光研究所,EHLA工艺在效率和速度方面均优于现有的抗腐蚀和耐磨损涂层保护方法。Fraunhofer可以在短时间内使用EHLA技术在大面积的零部件上沉积十分之一毫米的薄层,并且节约资源,加工过程具有经济性。

凭借EHLA工艺,Fraunhofer ILT对当前抗腐蚀和磨损保护的加工工艺具有改进作用。由于硬铬电镀消耗大量能量并且具有粘合和孔隙率的缺点,而热喷涂在所用材料方面可能相当浪费。相比之下,EHLA方法加工出来的涂层是无孔的,从而改善粘合情况并降低裂纹和孔隙的发生的可能性。除此之外,根据Fraunhofer,EHLA技术比热喷涂节约90%的材料。

futureAM – 新一代增材制造

3D打印-增材制造领域,在亚琛Fraunhofer激光技术研究所ILT的领导下,“futureAM – 新一代增材制造”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。当时3D科学谷做过关于“下一代粉末床激光熔融3D打印技术SLM系统的蓝图”的介绍。

Fraunhofer的未来增材制造futureAM项目获得了特别令人兴奋的进展,这个项目整合了Fraunhofer旗下六个研究所的共同努力,这六个研究所包括位于亚琛的ILT激光研究所, 位于汉堡的IAPT增材制造技术研究所,位于不莱梅的IFAM制造技术与先进材料研究所,位于达姆施塔特的IGD计算机图形研究所,位于德累斯顿的IWS材料与光束技术研究所,位于开姆尼茨的 IWU机床工具与成型技术研究所。这些研究所的合作主要聚焦在两方面,一是从订单到产品制造的全流程角度全面考虑3D打印在数字和物理方面创造的附加值;二是通过研发飞跃性质的技术推动3D打印进入到新一代增材制造领域。

在制造技术方面,Fraunhofer ILT位于亚琛的科学家们已经开发了一种新型激光头,这种激光头具有非常大的功能,其有效使用的安装空间为1,000 mm x 800 mm x 500 mm,与传统的LPBF激光粉末床熔融系统相比,可将生产效率提高一倍。

此外,亚琛的科学家还正在研究监测金属3D打印的新方法,以提高工艺的稳定性和制造的可重复性。通过在构建平台中使用结构传感器,希望在未来监测关键的缺陷,例如支撑结构何时发生撕裂。此外,超声波传感器还用于分析空气中爆破的声音以确定与组件质量的相关性。

在质量控制方面,Fraunhofer将不断推动基于激光的超声波测量的研究,将在未来更进一步进行一系列的研究,包括研究脉冲激光是如何引起结构噪声,这些变化通过激光振动计检测以形成变量之间相关性的研究。Fraunhofer希望在制造过程中发现空隙的产生,以便能够立即进行干预。

“SLM绿色”3D打印铜项目

由于铜的导热性和反射性极佳,这使得铜金属在3D打印机内部难以操作。虽然当前选择性激光熔化(SLM)3D打印技术可以用于制造铜金属粉末材料。但是铜金属在激光熔化的过程中,吸收率低,激光难以持续熔化铜金属粉末,从而导致成形效率低,冶金质量难以控制等问题。此外,铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。

Fraunhofer ILT“SLM绿色”项目发现与现有方法相比,“SLM绿色”项目旨在“显着提高细节分辨率以及更高的成本效益”。最具特色的是激光的颜色是绿色的。

根据Fraunhofer ILT,当前的粉末床激光熔化技术所采用的激光器通常在光的红外光谱范围内运行,这就是为什么铜的低吸收率会发生,而且光的能量不能有效地熔化铜金属。在绿色激光器中,与1μm波长的波长相比更短,波长在515nm。这意味着更少的激光功率输出,此外,激光束可以更精确地聚焦,使其能够使用新的SLM工艺制造更加精细的部件。Fraunhofer ILT正在创建更均匀的熔池动力学,以便建立高材料密度的组件,并获得更高的细节分辨率。

AddSteel项目

对于不锈钢合金粉末材料来说,目前的一个市场挑战是如何开发出表面硬化,并且可以热处理的不锈钢合金粉末材料。是否存在可以被认证的材料,这些可以使零部件在LPBF加工过程中不会形成裂缝或缺陷?2019年初,德国的SMS公司,Deutsche Edelstahlwerke特种钢公司,Fraunhofer ILT研究所,以及Fraunhofer ILT的孵化企业Aconity在亚琛推出了AddSteel项目,开发专门用于LPBF激光粉末床熔化金属3D打印工艺的新型不锈钢合金粉末材料

开发新型不锈钢合金粉末需要正确的金属元素,正确的组合和冶金学的创造力 – 特别是在LPBF工艺下,不锈钢合金粉末将以新的方式加工。AddSteel项目合作伙伴选择通过快速迭代过程来开发合金,并结合对LPBF工艺和设备的系统调整。

MultiPROmobil 新能源汽车轻量化部件项目

新能源汽车设计迭代快,产量大小存在波动,新能源汽车制造商对于创新的生产理念的追求,使得新能源汽车的生产需要在灵活性和生产率之间取得平衡。在动荡的市场中,激光技术与数字化相结合是成本效益生产的重要推动因素,Fraunhofer ILT集成了切割、焊接和增材制造多功能激光加工头的机器人,将被应用于轻量化电动汽车的制造

工业环境中,MultiPROmobil项目中带有多功能激光加工头的机器人,将能够制造新能源汽车的仿生车辆结构。该技术的第一个应用示例为电动车辆的三角形控制臂,该部件将在优化设计和切割后,在多功能激光机器人单元中进行焊接和增材制造。而完成这些制造流程,不需要更换激光头。

MultiPROmobil 项目的参与者预测,该技术将使新能源汽车制造商工程效率得到提高,启动时间减少约30%。此外,他们希望单位成本和资源消耗至少降低20%。

Fraunhofer ILT与Laserfact 的多功能激光加工头技术已经在工业中使用,例如在钢铁工业的涂层和检测线中被用于切割和焊接,以及生产高精度金属组件。随着多功能激光加工头技术的进一步发展,MultiPROmobil 项目将特别吸引那些对未来电动汽车市场做出重要贡献的中小型公司。

中小企业的入门级SLM 3D打印机

为了吸引中小企业能感受到金属3D打印的好处,Fraunhofer ILT研究所和亚琛大学的Goethelab联手推出一个新的入门级金属3D打印机,这台设备打印出来的零件可以用作原型或者最终零件。用户可以调整打印速度和质量,研究所尝试打印了一个中等大小的不锈钢组件,密度超过99.5%,并且可以在12小时内打印完成。

3D打印燃气轮机叶片模块化思路

西门子与Fraunhofer ILT研究所合作,通过选择性激光熔化(SLM) 3D打印技术优化燃气轮机叶片的制造工艺,实现快速制造。

SLM 3D打印技术虽然相比传统工艺更适合承担复杂零部件的制造,但是进行3D打印时需要添加内部的支撑结构。支撑结构的存在为打印之后的后续处理工作增加了难度。为了尽量在3D打印时减少支撑构,Fraunhofer激光技术研究所采用了模块化的叶片设计思路,将叶片的两个部分分别进行3D打印,完成之后再进行焊接。

经激光技术研究所改进后的工艺链完成了带复杂冷却结构的叶片制造任务,并且提高了表面质量。西门子公司在导向叶片完成3D打印之后进行了精密测量、精加工以及高温焊接工作。在双方合作下制造的功能性叶片经过了大量的测试,设计工程师在测试中获得了大量数据。

涡轮机叶片模块化设计和制造思路为其他复杂零部件的制造提供了可借鉴的经验,也为连接精密铸造的零部件与SLM 3D打印的零部件提供了可能性。同时,对于目前金属3D打印设备无法完成的大型复杂零部件,也可以从模块化设计和制造的思路中得到一定启示。

3 医疗技术与生物光子学

Fraunhofer ILT医疗技术与生物光子学板块的研究聚焦于治疗和诊断以及显微镜分析中基于激光的应用。其研究细分领域包括生物分析、生物制造、生物功能化、植入物、临床诊断、激光显微镜、激光治疗、显微外科系统、微流体系统。

4 激光测量技术和EUV技术

Fraunhofer ILT激光测量技术和EUV技术的研究重点在于制造测量技术、材料分析、回收和原材料领域的识别和分析技术、环境和安全性的测量和测试工程以及EUV的激光技术

5 数字化

Fraunhofer ILT数字化的研究重点在于智能仿真、边缘计算、数字工厂、人工智能实验室、数据湖、工具和解决方案

2015年9月,ACAM亚琛增材制造中心有限公司的奠基仪式在亚琛举行,这是基于Fraunhofer IPT生产技术研究所、Fraunhofer ILT激光技术研究所、亚琛工业大学等工业研究领域成员的合作。

Fraunhofer_5G_Europe_Video Cover2视频:ACAM:为探索增材制造的复杂潜能导航

视频中ACAM的两位直接领导人Schleifenbaum教授来自Fraunhofer ILT和亚琛工业大学,Arntz博士来自Fraunhofer IPT

ACAM致力于为制造企业提供一站式的增材制造专业技术,成立以来积累了不同先进科研领域的专业知识,并通过提供联合研发、咨询、专业技术培训和教育服务、软件和系统工程以及定制服务,帮助企业应对增材制造技术在应用中的挑战。部分ACAM的合作对象包括舍弗勒、Danfoss、GKN、GE Additive、林德集团、欧瑞康、大隈、Stratasys、大众汽车及丰田汽车等。

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