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超高速激光熔覆技術(shù)的趨勢(shì)
來(lái)源: | 作者:輝銳集團(tuán) | 發(fā)布時(shí)間: 2021-06-17 | 544 次瀏覽 | ?? 點(diǎn)擊朗讀正文 ?? ? | 分享到:
在我之前的文章中,我們已經(jīng)討論了超高速激光熔覆的基礎(chǔ)知識(shí),并查看了與該技術(shù)相關(guān)的首字母縮略詞。今天,我想通過(guò)概述趨勢(shì)、發(fā)展和可能性來(lái)解決技術(shù)本身的話題。我盡量專注于我所知道的事實(shí),這些事實(shí)是基于我個(gè)人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。我將概述光斑幾何形狀和尺寸變化以及沉積速度。我們還將一起研究激光功率和速度如何影響過(guò)程以及該技術(shù)的最新趨勢(shì)是什么。我的目的是幫助您自己決定 EHLA、高功率超高速激光熔覆或任何其他類型的工藝是否是您的正確選擇。如果您閱讀的信息不能提供全面的信息并想了解更多信息,我將很高興收到您的反饋。
超高速激光熔覆
科技發(fā)展將把我們引向何方?
如今,越來(lái)越多的公司對(duì)超高速激光熔覆表現(xiàn)出興趣。他們中的一些人想為其應(yīng)用購(gòu)買系統(tǒng),一些人可能對(duì)服務(wù)或合作感興趣,而另一些人只是想了解與熱噴涂、表面硬化或鍍硬鉻等現(xiàn)有解決方案相比,該技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力如何. 通過(guò)本文,我想向您簡(jiǎn)要介紹該技術(shù)的最新發(fā)展,這可能會(huì)幫助您了解以下問(wèn)題的可能性和答案:
· 超高速激光熔覆世界的最新趨勢(shì)是什么?
· 生產(chǎn)力方面的主要發(fā)展是什么?
· 我們有哪些可能性,如果您決定使用超高速激光熔覆,哪些可能是重要的考慮因素?
· 我應(yīng)該使用圓形還是矩形點(diǎn)?
· EHLA 是我的正確選擇嗎?
讓我們一起嘗試回答這些問(wèn)題??赡茏詈玫霓k法是從根源開(kāi)始。超高速激光熔覆自 20 年前就已在航空和能源等某些高成本細(xì)分市場(chǎng)建立起來(lái)。當(dāng)時(shí)激光相當(dāng)昂貴,2-3KW 功率的能源被認(rèn)為是高科技——足以修復(fù)渦輪葉片,但對(duì)于其他應(yīng)用來(lái)說(shuō)太貴了。在這二十年里,很多事情都發(fā)生了變化——激光器的價(jià)格幾乎下降了十倍,而且高功率激光器(比如 10+ kW)在工業(yè)條件下變得方便。我認(rèn)為這是解釋為什么該技術(shù)最終具有很高的工業(yè)利益的主要因素之一——它在更廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)變得比替代表面處理解決方案具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。
超高速激光熔覆
高速激光熔覆的分類
首先,讓我們關(guān)注三個(gè)主要組別:高速、高功率和 3D。
高速超高速激光熔覆。讓我們保留 EHLA 的名稱,因?yàn)樗饕c大部分粉末在與表面相互作用之前熔化的原理有關(guān)。在過(guò)去的幾年里,這個(gè)過(guò)程一直在市場(chǎng)上引起關(guān)注。它的發(fā)展速度之快令人驚嘆。想象一下,Hornet 于 2013 年在 Fraunhofer ILT 安裝了第一個(gè)研發(fā)系統(tǒng),現(xiàn)在我們有 50 多個(gè)系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)進(jìn)行研究和生產(chǎn)活動(dòng)。我個(gè)人對(duì) EHLA 發(fā)展曲線的看法如圖 2 所示。如果我遺漏了一些事實(shí),請(qǐng)告訴我。
EHLA發(fā)展曲線
是什么讓 EHLA 如此令人興奮?想象一下,您可以將它用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體和沉積速度,其范圍為 100-200+ m/min。有了它,我們可以生產(chǎn)出薄而致密的冶金結(jié)合到具有優(yōu)異性能的基材涂層。平均每條路徑,有可能獲得 100-250μm 的厚度。沉積后的表面粗糙度可以通過(guò) Rz <50μm 的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外,可以通過(guò)激光點(diǎn)與沉積涂層的相互作用重新熔化表面。它確實(shí)去除了一些凹凸不平并平滑涂層,將 Rz 值降低到 20 微米以下。EHLA 表面質(zhì)量和橫截面圖像的一些示例如圖 3 所示。您可以看到,EHLA 可以直接應(yīng)用于鑄鐵表面,
超高速激光熔覆
EHLA和重熔后的表面質(zhì)量;Metco 15E(左側(cè))和新一代 Metco Fe 基合金的微觀結(jié)構(gòu)橫截面,直接沉積在鑄鐵上。上述優(yōu)點(diǎn)使 EHLA 成為一項(xiàng)有吸引力的技術(shù)并推動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展。2020 年,每個(gè)人都在談?wù)摳吖β?EHLA 和超過(guò) 2m2/h 的沉積速率。這些值使 EHLA 與熱噴涂、噴涂和熔斷甚至鍍硬鉻競(jìng)爭(zhēng)。高速超高速激光熔覆也越來(lái)越受到應(yīng)用方面的關(guān)注——液壓桿和制動(dòng)盤(pán)方向最常見(jiàn)的討論和廣告流——潛在技術(shù)方向的冰山一瞥。
如果從技術(shù)挑戰(zhàn)來(lái)看,我認(rèn)為高速超高速激光熔覆有兩個(gè)主要方向:
· 材料。我堅(jiān)信,由于細(xì)級(jí)粉末顆粒 (-53+20μm) 的快速冷卻和應(yīng)用,新一代材料的開(kāi)發(fā)具有很高的重要性和興趣。同樣在歐瑞康,我們非常關(guān)注這個(gè)話題。其中一個(gè)示例如圖 3 所示,是一種通過(guò)在復(fù)雜基材上工作的現(xiàn)代涂層解決方案。我將在下一篇出版物中更詳細(xì)地介紹這里。
· 工業(yè)化,主要是指工藝的可靠性和新一代噴嘴,保證批量生產(chǎn)下的穩(wěn)定運(yùn)行。在這個(gè)方向上做了很多工作,到 2020 年,我們將有幾款新一代噴嘴上市。我不想比較噴嘴供應(yīng)商,因?yàn)槲掖蛩阏故荆裁词强捎玫?,由您決定,您更喜歡采用哪種方式。最新噴頭實(shí)例如圖4所示,主要有兩種工作原理:同軸供粉和多噴供粉。兩種新一代噴嘴都可以處理超過(guò) 100 g/min 的粉末量和超過(guò) 10KW 的能量功率。
激光熔覆
HD 的Highno EHLA 噴嘴;Trumpf 的多噴嘴 EHLA 噴嘴
高功率超高速激光熔覆(我指的是超過(guò) 10kW 的激光功率) 可分為兩個(gè)主要領(lǐng)域(圖 5)
1. 使用圓形光斑幾何。最新的發(fā)展是可以包覆直徑達(dá) 12 毫米的光斑尺寸,沉積速度超過(guò) 1.5 m/min。這背后的邏輯非常簡(jiǎn)單——更大的光斑和更高的速度由能量源的功率來(lái)補(bǔ)償。
2. 使用矩形光斑幾何?,F(xiàn)在有平面噴射粉末噴嘴,其矩形幾何形狀的寬度可達(dá) 45 毫米(圖 6)。然而,粉末消耗量也相應(yīng)增加,可能超過(guò) 300g/min。此外,由于激光光斑和基板表面之間的相互作用面積較大,因此需要高功率激光器。
超高速激光熔覆
具有圓形和矩形斑點(diǎn)的高功率噴嘴示例 ( Fraunhofer IWS )
從歷史上看,這個(gè)方向一直是德累斯頓 Fraunhofer IWS 的重點(diǎn)。難怪他們的產(chǎn)品如 COAX powerline 和 COAX11 在市場(chǎng)上很受歡迎。這兩個(gè)原則都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)(我將在第 2 部分討論)。使用超過(guò) 10KW 的高功率激光器,由于背反射和熱效應(yīng),通常需要對(duì)光學(xué)元件更加小心。此外,工業(yè)條件下加工頭的使用壽命可能在很大程度上取決于工作時(shí)間。
具有 20kW 激光功率的 45mm 光斑(圖片由 Fraunhofer IWS 提供)
3D 超高速激光熔覆或 LMD(或任何其他方便的首字母縮寫(xiě)詞)。在這個(gè)過(guò)程中,我們主要討論 3D 結(jié)構(gòu)、組件的構(gòu)建或復(fù)雜幾何形狀的多層修復(fù)。這部分技術(shù)隨著增材制造領(lǐng)域的發(fā)展而變得流行。這是一個(gè)非常有前途的方向,已被證明是非常有生產(chǎn)力的,并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。專家們常問(wèn)的與該技術(shù)相關(guān)的主要問(wèn)題如下:
· 由于多層沉積,如何最大限度地減少和防止零件過(guò)熱?過(guò)熱會(huì)對(duì)所生產(chǎn)部件的微觀結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生強(qiáng)烈影響,并因此導(dǎo)致機(jī)械和/或磨損性能降低。
· 如何提高生產(chǎn)力并獲得更快?生產(chǎn)時(shí)間始終是客戶首先問(wèn)我們的問(wèn)題。
· 如何提高沉積效率并確保幾乎沒(méi)有過(guò)噴?例如,過(guò)噴顆粒的材料消耗和毒性主題。
在圖 7 中展示了該技術(shù)的主要趨勢(shì),并且應(yīng)該提供有關(guān)上述問(wèn)題的可能解決方案的想法。有前景的趨勢(shì)之一與送絲超高速激光熔覆有關(guān)。與粉末相比,線材作為填充材料具有一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)——100% 消耗沉積材料。隨著同軸送絲原理的發(fā)展,基本解決了恒定送絲的問(wèn)題。通過(guò)在恒定沉積速度下改變包覆軌跡也實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的改進(jìn)——過(guò)去這可能導(dǎo)致“角落”中的缺陷。這段取自Laserline網(wǎng)頁(yè)的短視頻很好地介紹了同軸電纜包層特性。
超高速激光熔覆
3D超高速激光熔覆發(fā)展方向
另一個(gè)有希望的技術(shù)發(fā)展方向是在一個(gè)系統(tǒng)中結(jié)合兩種工藝——包覆和銑削。這有助于解決多個(gè)主題并在同一系統(tǒng)中生成非常復(fù)雜的幾何圖形的部分。在我看來(lái),這是一種非常有趣的方法,DMG Mori公司對(duì)此進(jìn)行了很好的描述,這是向市場(chǎng)提供此類系統(tǒng)的先驅(qū)之一。我認(rèn)為該解決方案非常適合原型生產(chǎn)、單個(gè)組件的維修/生產(chǎn)或小批量零件的生產(chǎn)。另一方面,在中等和大批量生產(chǎn)的情況下,對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜且肯定是昂貴的混合系統(tǒng),也存在一些挑戰(zhàn)。只需簡(jiǎn)單的計(jì)算即可找出更有效的方法——一個(gè)混合系統(tǒng)或兩臺(tái)機(jī)器(一臺(tái)包層,另一臺(tái)銑削),并行加工同一產(chǎn)品。一般來(lái)說(shuō),這里的主要好處與技術(shù)本身的 CAD/CAM 鏈的開(kāi)發(fā)有關(guān)。它推動(dòng)了超高速激光熔覆的數(shù)字化。離線編程結(jié)合過(guò)程監(jiān)控選項(xiàng),在沉積過(guò)程中,3D EHLA 是最近向市場(chǎng)展示的最新趨勢(shì)之一。它結(jié)合了高速超高速激光熔覆和 LMD。最新的發(fā)展仍在進(jìn)行中,可以在由我在 Fraunhofer ILT 的同事領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目 - futureAM - Next Generation Additive Manufacturing 中監(jiān)控進(jìn)度。看到這種方法達(dá)到新的高度以及它在未來(lái)可以提供的令人難以置信的好處,真是令人印象深刻。目前,它仍然是一個(gè)研發(fā)過(guò)程,看到這將如何發(fā)展肯定令人興奮。
超高速激光熔覆
致謝
我要向來(lái)自 Fraunhofer IWS 的 Maria Barbosa 博士和來(lái)自 Trumpf 的 Marco G?bel 表示衷心的感謝,感謝他們?yōu)槲姨峁﹫D形材料和我們進(jìn)行的技術(shù)討論。我要感謝我的團(tuán)隊(duì)通過(guò)使我們的激光中心成為一個(gè)理想的工作場(chǎng)所,他們的出色工作、積極性和高水平的專業(yè)精神。感謝J?rg Spatzier、Kemal Coskun 和 Pether ?hninger。特別感謝我的經(jīng)理 Alexander Schwenk博士的信任和支持。



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