粉末床3D打印10倍速度提升,1米加工尺寸,Fraunhofer的futureAM颠覆进行时

当前3D打印要进入到产业化领域的一大瓶颈是效率与成本,当前3D打印的产品价格中高达70%的成本来自设备成本,而材料也占据了30%的成本。而在传统制造工艺中,材料成本不超过产品成本的3%。而在效率提升方面,市场的需求在呼唤带来加工效率飞跃性质的突破,而根据3D科学谷的市场观察,德国Fraunhofer的增材制造未来-futureAM项目正在以全面开花的方式推进3D打印成为一种更稳定、更经济可行的加工技术,在科技巨擎Fraunhofer的推动下,3D打印的颠覆正在进行时!

ACAM_lecture_1ACAM亚琛增材制造中心发起的系列数字孪生体技术讲座

block futureAM未来已来

根据3D科学谷的了解,在亚琛Fraunhofer激光技术研究所ILT的领导下,“futureAM – 新一代增材制造”是于2017年11月推出的,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”的报道。

l 10倍速的LPBF(基于粉末床的金属熔化3D打印技术)

目前亚琛Fraunhofer ILT已经开发出用于LPBF(基于粉末床的金属熔化3D打印技术)的新型加工解决方案,该解决方案还可以产生比传统LPBF系统快十倍加工速度的大型金属部件。LPBF系统提供了非常大的,有效可用的构建体积(1000毫米x 800毫米x 500毫米)。

Fraunhofer_LPBF提速10倍,有效可用的构建体积(1000毫米x 800毫米x 500毫米)

不仅仅在LPBF(基于粉末床的金属熔化3D打印技术)方面获得突破,亚琛Fraunhofer的futureAM项目包含了其他的增材制造技术,在线过程控制技术的开发,工艺稳健性的开发,以及基于数字孪生的网络化流程链的开发等。

l EHLA超高速激光材料沉积技术

“送粉”的增材制造技术在国内俗称为堆焊,顾名思义这种技术所实现的加工表面质量犹如通常看到的焊接一样呈现出粗糙的感觉。那么是否可以使得直接能量沉积技术所实现的表面质量更高,甚至达到涂层的效果?针对这一痛点,Fraunhofer激光技术研究所(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。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。

Fraunhofer_EHLAFraunhofer EHLA超高速激光材料沉积技术

亚琛Fraunhofer ILT开发的EHLA超高速激光材料沉积技术是一项屡获殊荣的技术,该技术可以以特别经济和环保的方式涂覆,维修或增材制造零部件。该技术已经通过在例如米长的海上钢瓶上高速应用薄保护层而证明了其价值。到目前为止,EHLA仅用于旋转对称零件。下一步是创建更加随形完成自由曲面加工的能力。为此,在亚琛已经开发了一个自由曲面加工能力的EHLA原型机,在该机中,工件以高度动态的方式运动,在EHLA粉末在喷嘴下的以五倍速重力加速进行表面加工。

l 更多面向生产的增材制造技术

Fraunhofer_4Fraunhofer带有多二极管激光系统的机器,多光束源系统用于提高生产率。

l  在线错误检测

亚琛的科学家们正在研究监视金属3D打印的新方法,以提高过程的鲁棒性。在构建平台中使用结构传感器时,将来会检测到关键错误,例如支撑结构撕裂的时间。

Fraunhofer_MonitorFraunhofer开发的在线错误监测

此外,通过超声波传感器可以用于分析空气传播中的声音,以确定组件的质量。基于激光的超声测量的研究将在未来走得更远:脉冲激光将在部件中感应出结构传播的噪声,然后由激光测振仪检测到。这使得在构建过程中发现微小的毛孔,以便能够立即进行干预。而原位测量过程可以通过另一个曝光顺序对问题区域进行返工。

l 实现工艺稳健性和极高的堆积率

通过将质量保证工具集成到(混合)生产系统中,可以提高过程的鲁棒性。除了在线测量和质量保证之外,对于各种工业领域,必不可少的是要确定用于各种材料、机器、光束源等可靠的工艺窗口。

Fraunhofer_Monitor_QualityFraunhofer面向提高工艺稳健性

根据3D科学谷的市场研究,除了位于亚琛的Fraunhofer研究所的努力,futureAM还整合了Fraunhofer旗下六个研究所的共同努力,通过位于汉堡的Fraunhofer IAPT的目的是在工业4.0技术的帮助下,在整个工艺链中推动增材制造的数字化。

l  增材制造的数字化主要目标是:

AutoPartIO:数字预处理

  • 关于识别具有增材制造潜力的组件自动化选择功能
  • 通过可扩展的软件自动进行组件优化

数字质量保证

  • 根据过程监控数据以预期零部件的使用寿命并评估零部件质量
  • 根据特定于零部件的缺陷和需求知识开发寿命预测工具

基于数字孪生的网络化流程链

  • 借助特殊数据模型对物理过程链进行数字复制
  • 数字流程链中的完整可追溯性和透明性

AutoPartIO:数字预处理

目标是开发一个可扩展的软件组合工具箱,用于模拟和优化增材制造组件。首先,拓扑优化是在数学上从根本上实现的。除了轻质结构刚度优化的经典目标外,还考虑了仿生力学元素,传热和流体力学问题。

仿生力学与功能实现

与经典拓扑优化相比,仿生力学可以产生其他积极影响。为了使仿生力学获得更广泛的应用,必须对各种功能实现进行识别和参数化。用合适的仿生特征代替相同应力类型的设计是有利的。

生物学模型的参数化为这种设计优化奠定了基础,通过这种方式,可以充分利用轻巧的仿生力学设计潜力。

突破拓扑优化的限制

在已建立的拓扑优化中,目前尚未充分考虑工艺,材料和其他特定的特性以及增材制造的限制。Fraunhofer开发了新的多功能功能目标,可确保直接进行3D打印。

计算机辅助功能模块

为了使得用户能够在不广泛了解增材制造的情况下利用3D打印的优点,“计算机辅助功能(CAF)”是必要的。当面临指定的任务,并确定要实现的功能的时候。例如主动和被动散热器,热交换器等零件,针对这些零件,系统所进行的参数化仿生力学优化和拓扑优化将考虑到特定于工艺和材料的限制。

亚琛Fraunhofer是基于金属粉末床的激光金属熔化3D打印技术诞生的摇篮,我们耳熟能详的诸多国际金属3D打印设备品牌无一不是来源于Fraunhofer开发的这一原创技术。而随着应用的发展,Fraunhofer在技术领域的制高点不断的加强,成为增材制造领域推动行业发展的重要引擎。

增材制造的世界中心源于亚琛,就在2020年初,Fraunhofer IPT弗劳恩霍夫生产技术研究所IPT和瑞典移动网络供应商爱立信共同开发了“欧洲5G工业园区”的概念,这实际上是第一个全面的5G研究网络,在亚琛园区测试新移动网络技术在生产控制与物流方面的应用。

欧洲5G工业园区于2020年5月12日启动了5G网络,通过将近1平方公里的面积,19根5G天线和每秒10G比特的带宽,亚琛开始运行欧洲最大的5G研究网络。可以说欧洲5G工业园区正在创建一个全球范围内独特的生态系统,以研究、开发适应5G的工业4.0技术。

总体来说,位于亚琛的欧洲5G工业园区是德国和欧洲唯一在生产环境中全面了解5G的地点。在亚琛欧洲5G工业园区,项目合作伙伴重点研究七个子项目中的不同应用场景-包括监视和控制高度复杂制造过程的5G传感器,移动机器人,物流和多站点生产链,分布式制造控制,区块链,边缘云等。

Video cover_Europe 5G Park欧洲最大的5G示范园区

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 Cover2ACAM,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

在ACAM的推动下,积聚国际顶级的优势研发资源,增材制造业界态势有望进入一个更加健全有力的生态系统,以此推动3D打印进入指数级增长态势。

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