德国实现金属增材制造技术飞跃导语德国弗劳恩霍夫协会2017年

导语
德国弗劳恩霍夫协会2017年启动的标杆项目“下一代增材制造”于2020年11月结束。该项目有两项主要目标，一是建立全面的合作平台，全面整合利用弗劳恩霍夫协会在增材制造领域的离散资源；二是建立技术储备，从而提升定制金属部件增材制造的扩展性、生产能力以及产品质量。项目由弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）、增材制造技术研究所（IAPT）、制造技术与应用材料研究所（IFAM）、计算机图形研究所（IGD）、材料与光束技术研究所（IWS）、机床与成型技术研究所（IWU）协作完成，在工业4.0与数字流程链、可扩展且稳健的增材制造工艺、材料、系统技术及自动化四个领域方面取得了重大进展，在全流程链上实现了金属增材制造性能与成本效益的双提升。
01
工业4.0与数字流程链研究
“工业4.0与数字流程链”领域主要开展了三项工作：一是数字预处理，旨在开发一个可扩展的工具组，用于对增材制造部件进行模拟和优化；二是数字质量保证，即根据监控数据评估部件的质量，并开发寿命预测工具；三是基于数字孪生的网络化流程链，借助特殊数据模型复制实际流程链，形成具备可追溯性和透明度的数字流程链。
02
可扩展且稳健的增材制造工艺研究
“可扩展且稳健的增材制造工艺”领域主要开展了六项工作：一是可扩展的激光粉末床熔融（LPBF）系统，开发出一种用于大型金属部件的激光粉末床熔融设备（图1），使生产率提升10倍；二是用于增材制造的超高速激光材料沉积（EHLA）技术，已制造了超高速激光材料沉积增材设备原型机；三是直接错误检测，主要研究用于监测金属增材制造的新方法，从而提高制造过程的鲁棒性；四是工艺稳健性和高沉积速率，通过将质量保证工具集成于生产系统提升工艺鲁棒性，并开发高沉积速率的材料和工艺；五是粉末质量保证，开发在制造现场附近的粉末质量检测控制系统，确保连续生产中粉末供应质量的一致性；六是粉末改性，开发并测试增材制造粉末的替代制造方法，提升粉末金属增材制造的竞争力。
文章插图
◎ 图1 用于大型金属部件的激光粉末床熔融设备
03
材料研究
“材料”领域主要专注于两大目标：一是拓展增材制造材料范围，重点是难焊接高性能合金，目前已经实现了镍基合金的激光沉积；二是开发创新方法实现多材料增材制造，用于更轻、更具成本效益零件的制造，目前已采用激光沉积完成了镍基高温合金（Inconel 718）和钴基合金（Merl 72）两种异质材料的连续过渡连接（图2）。
文章插图
◎ 图2 镍基高温合金（Inconel 718）和钴基合金（Merl 72）两种异质材料的连续过渡连接能谱分析图（黄色：钴，蓝色：镍，橙色：铝）
04
系统技术及自动化研究
“系统技术及自动化”领域主要开展了四项工作：一是多材料增材制造，已开发出一种多材料增材制造工艺，通过在粉末床和激光束设备上加装粉末抽吸模块和分配器（图3）实现多材料增材制造；二是零件集成，采用多材料制造系统将半成品、传感器或执行器等元器件集成封装于零件内部；三是自主返工，开发出一种模块化增材制造自主返工单元，采用点云测量结合三维模型分析的方式，规划机器人返工路径从而修正制造偏差，且能够快速灵活地集成于过程链中；四是零件识别，采用超声波测量结合图像处理技术，开发出一种实时检测零件表面识别码的方式。
文章插图
◎ 图3 多材料制造设备
05
建立“虚拟实验室”
除以上四个领域工作外，项目还建立了“虚拟实验室” ，该实验室旨在以数字化的方式对相关研究所的能力和设备进行映射，实现每一个实体（设备或产品）都得以分配一个“数字孪生体” ，并通过建模仿真的方式对真实系统加以优化。未来，该实验室将为新产品的规划提供数据支撑，从而大大减少审核时间。此外该实验室还将赋予设备更多的自主能力，如根据产品质量目标、生产目标等在生产过程中自主调整相关工艺参数，人类在其中的角色将由目前的统筹规划转变为决策监视。
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来源 | 德国弗劳恩霍夫激光技术研究所网站