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2022-09-02
金屬3D列印-大型工件 高功率雷射和熔覆頭用以製造大型工件
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列印材料可以混合鋼、不銹鋼、鋁、鎳和鈷基合金、鈦和許多其他材料。
由於金屬粉末的製造方式，它們分成很多種類，並且可以不同的方式混合，讓製造商可微調材料特性。另一方面，金屬芯線成本更低，列印速率高，而且不會產生浪費。供線方式的雷射列印可以提供幾乎100%的材料利用率。
雷射列印可用於製造大型工件和進行零件維修，許多應用都涉及非常高的材料堆積率。事實上，有些供線方式的雷射列印工序可列印高達 330公克/分鐘的不銹鋼，大約是使用粉床熔融成型（PBF）的典型堆積速率的10倍。儘管如此，雷射列印的尺寸精度和表面粗糙度也比粉床熔融成型（PBF）所能達到的差約10倍。 雷射列印成品可接近最終形狀，但通常需要某些精加工，例如銑削或磨削。即便如此，雷射列印的高堆積速率對於大型、短期使用的工件更有經濟效益。
鑄造或是列印？
在金屬積層製造技術發展前，大型工件一般使用鑄造及後續精加工的工法製造。若是針對大量生產的零件，鑄造法仍可能是最實際、最具成本效益的製造方法。但如果生產時間能縮短呢？在鑄造法為鑄件製作砂芯所需的時間裡，雷射列印已經可以生產出與鑄造法剛脫模完成時品質相當的工件。
此外，雷射列印生產的工件不會受到鑄造可能產生的冶金問題影響，例如微觀或巨觀孔隙、冷接紋或冷壓折以及結疤。一個具有對雷射源閉迴路控制且設計成熟的雷射列印系統，應能建構一個具有良好層間固結性和缺陷極少（如果有的話）的大型工件。
熔覆頭的發展
有些雷射列印應用可使用雷射熔覆頭，但這種使用供線方式的熔覆頭存在侷限性。傳統雷射熔覆頭從側面供線。供線方向會影響熔滴過渡和列印品質。目的是保持焊線末端的熔融材料平穩、連續地流入工件上的熔池中-使用雷射列印如果熔覆頭只有一個供線方向，則有時無法優化這種流動。
背向反射會是另一個挑戰。雷射列印需要多個工具中心點來進行路徑編程，使得從焊線反射的光確實可能存在背向反射，而典型的雷射熔覆頭在設計上並未考慮到這一點。
最後，雷射熔覆頭的傳導性光學儀器通常限制在6 kW的雷射功率。不久前，6 kW還被認為是一種“高功率”工業雷射應用。今日，一些雷射列印應用已使用10到20kW的雷射功率。
金屬3D列印大型工件的商業案例
想像一個大型火箭噴嘴的高度和寬度是以英尺或米為單位。乍看之下，您可能認為它是一個鑄造件，其實不然。實際上，它是使用大型雷射列印系統3D列印製造而成的。為什麼是用3D列印製造而不是鑄造+精加工呢? 2個原因: 快速的處理時間、噴嘴的特殊性和極昂貴的材料等級需求。從鋼胚開始所需要的成本就高得令人卻步，加上鋼種的要求過高和加工成本高。
這使得金屬3D列印中的粉床熔融成型(PBF)和雷射列印(DED)為唯二選擇。但因大型火箭噴嘴的尺寸(數英尺高及寬)對傳統粉床熔融成型(PBF)的製程而言太大了，且工件完成品要求的孔隙率趨近於零。
因此，製造商轉而考慮使用三點沉積頭的高功率供線雷射列印系統。從機器中取出的工件隨時可進行精加工，此產出工件為鑄造等級，但冶金品質有所提高。
若噴嘴是由傳統鋼坯加工而成，精加工只需要其製程時間的20%。每個步驟所節省下來時間不是以分鐘或小時為單位，而是以天為單位。由於這種特殊金屬的廢料價格約為整個鋼坯價值的 1/8，3D列印通過提高材料利用率（即減少材料損失）節省了大量成本。大約 97% 的材料會用於製造零件。
訊息由 ADDere, www.addere.com 提供。
這個火箭噴嘴不是鑄造件。它是使用雷射列印逐層建造而成。原型火箭錐體高 42 英寸，直徑 24 英寸，壁厚 1/8 英寸。製作完成後，錐體重達110 磅。整個製程約需要24小時。
