选择性激光熔化工艺的金属粉末“侦探剧”

利用铝粉高效制作复杂的样品件

仅需几天的等待,皮尔博格集团的研发人员就可以在试验台上对新制作的、结构复杂的样品件进行测试。这一实验室等待时间明显缩短,研究人员不必像先前那样等上六个星期。这些样品件并没有采用铸造工艺,而是采用了增材制造工艺,由喷出的铝粉逐层累加而成。这家企业运用专业知识优化了创新型的选择性激光熔化 (SLM)工艺,从而提高了整个研发过程的效率。

“当我们 2013 年 9 月启动第一台设备时,我们不得不克服很多故障带来的困扰”,诺伊斯工厂样品生产和小批量生产部门的主管弗兰克·容克博士(Dr. Frank Junker)回顾时感慨万千。在公司内部机械制造部门的强力支持下,样品生产和小批量生产部门对设备做了很多改动。目前有两台设备年运行时间总共为5000 小时,周末也照常工作,无需操作员和工具辅助。设备仅需要一个受过训练的团队完成操作,并由这个团队一并负责控制该技术的精确度。

关键在于粉末

和机械技术的情况一样,这个生产工艺也蕴含了很多专业知识。容克博士解释说:“挑战在于如何快速、经济地生产出符合质量要求的零件。”材料的品质尤其重要,因为它决定了零件的质量。质量在这里主要指的是零件的致密度。皮尔博格集团使用了不含粘合剂的铝合金粉末。容克博士介绍说:“找到合适粉末的过程就像是一部真正的侦探剧。”全世界只有少数几个生产商可以将固体雾化制备成达到要求品质的粉末。使用该技术可以让零件达到最高 99.9% 的致密度--这是一个非常高的数值。

粉末就像是真正的侦探剧--稠度越小,样品零件的致密度越高,质量就越好。 

将特别细的粉末涂敷到选择性激光熔化设备的基板上,形成厚度只有 50 微米——也就是相当于一页纸厚度一半的涂层,然后利用激光束对所选择部位(选择性地)进行照射和融化。为了计算出激光的向量,我们将零件的 CAD 模型分为几层。在材料凝固之后,根据涂层厚度的数据将基板高度降低,然后重新涂敷粉末。重复这个循环,直到融化了几千个涂层。在手动移除支撑结构之后,制作完成的零件就可以立即使用了。提高效率的关键在于零件在机器内部的定位。这项技术相对于其它的支持工艺(例如涂敷),显著缩短了激光照射的时间。生产时间从六个星期减少到了两天。除此之外,选择性激光融化工艺还具有一系列其它的优点。这种工艺的典型特征是:工件形状的自由度大,这为生产减小惯性的空心结构开辟了新的途径。我们也可以使用激光制作出用于冷却润滑剂的高质量三维管道,就和用造型工艺无法制作出的倒扣一样。除此之外,较高的致密度可以保证零件机械特性在很大程度上与基材吻合。

皮尔博格公司利用两台选择性激光熔化设备,只需几天就能生产出可立即应用于实验台的零件。

容克博士说:“选择性激光熔化工艺对我们而言绝对是一大成功。我们拥有该领域的专业知识,对于这项仍处于发展初级阶段的技术而言,我们的公司是该领域的先驱者。这项技术加快了结构复杂的样品零件制作,从而也加快了整个研发的进程。”莱茵金属集团旗下的其它公司也将从中受益,皮尔博格公司也在利用选择性激光熔化设备制作样品零件。