5个振镜、可扩展的下一代选区激光粉末床金属打印技术,揭示Fraunhofer的futureAM项目如何快10倍

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10倍加工速度的大型金属部件。

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。

Fraunhofer_Future Team来自亚琛Fraunhofer ILT的futureAM团队
(前正中间为Schleifenbaum教授,与Fraunhofer IPT的Dr. Arntz共同领导ACAM亚琛增材制造中心)

本期,3D科学谷与谷友一起来深度了解下快10倍加工速度的增强的激光粉床熔化(LPBF)加工策略及相关应用进展。

Video Cover_Fraunhofe_ZhenjingFraunhofer futureAM项目快10倍加工速度的多振镜系统,来源:Fraunhofer ILT

block 提升技术极限,实现增材制造工业4.0

Fraunhofer的未来增材制造futureAM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。

Fraunhofer_Chart

突破技术极限,打开下一代增材制造大门的futureAM项目。来源:Fraunhofer

其中,弗劳恩霍夫激光研究所Fraunhofer ILT的科学家们开发了一种增强的激光粉床熔化(LPBF)加工策略。Fraunhofer ILT的LPBF原型机集成了五个激光扫描系统,其最大制造范围为1000 mm x 800 mm x 500 mm。为了提高系统的生产率,实现了扫描振镜和线性轴系统的同步运动。

Video Cover_Fraunhofe2可扩展理念。来源:Fraunhofer ILT

增强的激光粉床熔化(LPBF)加工策略的另一个亮点是软件,用于控制粉末材料熔化时的能量输入,可以为每个熔体轨迹分别设置工艺参数,以提高部件质量和制造速度。

Fraunhofer_Future AM四大板块:数字过程链、可扩展的高效工艺、自动化、材料。来源:Fraunhofer ILT

block 自动化的后处理

当前金属增材制造下游加工步骤尚未实现自动化,部分原因是要制造的零件的几何形状不同,对自动化带来了极大的挑战。对于金属增材制造,大多数手动后处理成本特别高:它占总处理成本的70%。Fraunhofer IWU机床与成型技术研究所正在为各个过程开发各种自主技术模块,由机器人负责工件的处理和后加工

block 数字孪生技术

futureAM项目中除了所有的研究机构都以自己的研发能力进行项目参与外,大家还建立了“虚拟实验室”。该实验室旨在以封闭且数字化的方式绘制所涉及机构的能力。每个实体(机器或产品)都被描述并分配了一个“数字孪生”,这是网络物理机器或更大的网络物理系统的虚拟部分。基于这些数字孪生,可以通过建模和仿真来优化实际系统。这将增强例如错误诊断、预测分析、产品和过程优化以实现长期质量保证。

将来,该系统还将提供用于计划新产品的数据,这将大大减少认证时间。它将能够越来越多地自动将产品分配给机器,在生产过程中适应相关的工艺参数,并自动考虑产品目标(例如质量)和生产目标(例如交货时间)。

因此,人类的角色将发生变化-从今天的中央计划转向决策和监控。虚拟实验室中的自治系统将使用适当的评估和监视工具来支持现场人员。因此,“虚拟实验室”提供了完整的数字透明度。

Fraunhofer_digital twins在Digital Twins-数字孪生技术的帮助下,项目合作伙伴可以对过程进行建模和仿真,以优化各个领域的实际应用。来源:Fraunhofer IAPT

block 虚拟实验室连接合作

通过具体的零件的制造,例如转向节的生产过程,显示了futureAM项目中各个研究所之间的沟通与合作:

Fraunhofer_Virtual lab虚拟实验室。来源:Fraunhofer

第一步,对组件进行设计或重新设计,例如在组件中引入点阵或空心结构以减轻重量。为此,在Fraunhofer IAPT研究所的“工业4.0和数字过程链”领域中开发该软件工具,用于设计AM组件。

第二步,通过LPBF(激光粉末床熔化)工艺生产转向节,Fraunhofer ILT研究所在“可扩展和鲁棒的增材制造-AM过程”领域中开发新的可扩展工厂概念。

第三步,Fraunhofer IWS研究所通过LMD(激光材料沉积)工艺连接由第二种高强度材料制成的增强结构。Fraunhofer IWS的材料专家开发了创新的方法,使增材制造中可以加工的材料比以往任何时候都要多。研究人员采用了人工智能(AI)为Fraunhofer联合项目“ futureAM”贡献了其深厚的材料专业知识。

第四步,自动移除支撑结构,Fraunhofer IWU研究所通过“系统技术和自动化”领域对组件进行后处理。为了调整增材制造组件所需的材料和表面特性,需要对组件进行后处理。这就是Fraunhofer IWU的用武之地。在futureAM项目中,该研究所的科学家正在开发一个自主生产单元,该单元中的部件由机器人进行机械后处理。其基础是一种通用的、可自行配置的机器设计,可以满足不同工艺要求。

block ACAM为增材制造复杂挑战导航

在2015年,以亚琛Fraunhofer ILT, 亚琛Fraunhofer IPT,亚琛工业大学为基础的亚琛增材制造中心ACAM成立,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,解锁增材制造复杂奥秘,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。

Fraunhofer_5G_Europe_Video Cover2ACAM为增材制造复杂挑战导航,视频中ACAM的两位直接领导人Schleifenbaum教授来自亚琛Fraunhofer ILT和亚琛工业大学DAP学院主席,Arntz博士来自亚琛Fraunhofer IPT。来源:ACAM

关于亚琛Fraunhofer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!

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