國產(chǎn)送粉激光金屬3D打印噴頭，柯萊得功率可達20kW

導讀：提起金屬3D打印，我們關注的焦點通常是SLM一類的粉末床選區(qū)激光熔化技術(shù),，而總是容易忽略另一類主要的高能束AM技術(shù)——定向能量沉積技術(shù)（DED）。事實上，作為一種有代表性的金屬3D打印技術(shù),，DED技術(shù)早已在航空航天,、汽車、船舶,、冶金,、模具等工業(yè)制造領域展現(xiàn)出了強大的應用實力。

DED技術(shù)起源
激光定向能量沉積增材制造技術(shù)是由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動,，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū),，熔化后逐層沉積完成工件制造。DED源起于激光熔覆技術(shù),，1974年底,，美國ACVO EVERETT RES LABINC公司的Gnanamuthu提出了世界上第一個激光熔覆專利US3952180A，由此開啟了激光熔覆技術(shù)的基礎研究工作序幕,。但由于受制于激光器技術(shù)的制約,，在相當長的一段時間內(nèi)，激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較為緩慢,。進入21世紀后,，隨著大功率激光器技術(shù)的成熟，激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化才得到了快速發(fā)展,。

激光熔覆技術(shù)具有稀釋率低,、熱輸入小、材料廣泛等眾多優(yōu)點,，目前已在產(chǎn)業(yè)化應用的過程中演化出多種不同類型,，并廣泛應用于以增材制造、再制造,、表面工程,、為代表性的各個領域。

按照激光熔覆的材料類型和材料與激光束的耦合形式,，可將常見的激光熔覆技術(shù)分為送粉式激光熔覆技術(shù)（主要包括同軸送粉,、旁軸送粉）、高速激光熔覆技術(shù)及高速絲材激光熔覆技術(shù),。受限于篇幅,，南極熊在此僅對送粉式激光熔覆技術(shù)做出詳細介紹。

同軸送粉激光熔覆技術(shù)      
同軸送粉激光熔覆技術(shù)熔覆頭采用中心出光的圓形光斑方案,，光束周圍采用同軸環(huán)狀送粉或者多束包圍送粉,，并設置由專門的保護氣通道；粉束,、光束與保護氣流匯交于一點,。熔覆工作時該焦點附近會形成熔池，隨著熔覆頭與工件做相對運動，在工件表面形成熔池并快速凝固成為覆層,。

△同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)機實物圖

該項技術(shù)具有以下特點：
1）自由度高,、容易實現(xiàn)自動化。由于其熔覆時向任意方向移動均可得到形貌一致,、質(zhì)量相同的熔覆層,，因此其熔覆方向沒有限制，配合工業(yè)機器人或多軸運動機床可以進行任意路徑或任意形狀零件的表面熔覆,，作為3D打印的打印頭時,，可進行激光同軸送粉3D打印。
2）熔池惰性氣體保護效果好,。由于送粉方式為氣載送粉以及在熔覆頭上設置有專門的惰性氣體流道,，熔覆過程中熔池處于良好的局部惰性氣體氛圍中，熔池及熔覆層氧化少,，熔覆層中氧化物夾雜較少,。
3）熔池小、粉末受熱均勻,、熔覆層抗裂性好,。同軸送粉激光熔覆的光斑尺寸一般為∮1-∮5mm，同時粉末與光束均勻接觸,，熔覆過程中的熱量傳遞更均勻,，因此熔覆層抗裂性好。特別是對含碳化鎢等陶瓷顆粒的符合材料的熔覆,，容易制備無裂紋,、碳化鎢分布均勻的覆層。
4）由于同軸送粉激光熔覆技術(shù)的上述特點,，其通常應用于主軸,、齒輪、箱體等高精度零件,、復雜形狀零件的表面熔覆改性和增材再制造,。同時，基于同軸送粉激光熔覆技術(shù)的金屬3D打印主要應用于大型零件的凈近成型以及梯度材料的制備,。

旁軸送粉激光熔覆技術(shù)
旁軸送粉激光熔覆技術(shù)也叫側(cè)向送粉激光熔覆技術(shù),，熔覆頭采用矩形光斑+旁軸寬帶送粉方案。熔覆頭工作時,，合金粉末經(jīng)二側(cè)面送粉嘴輸送至工件表面,，隨著熔覆頭與工件做相對運動，矩形或線型的激光束與側(cè)送粉束在工作表面匯聚并形成熔池,，冷卻后形成熔覆層。

該項技術(shù)具有以下特點：
1）熔覆效率高。旁軸送粉激光熔覆技術(shù)由于采用矩形光斑方案,，在保證熔覆方向光斑的能量密度不變的情況下,，可以采用加大激光功率和光斑寬度的方式，使得熔覆效率大幅提升,。目前實際生產(chǎn)中單道熔覆寬度可達30mm以上,，熔覆效率可達到1m2/h或12Kg/h。
2）無惰性氣體消耗,。一方面,，旁軸送粉激光熔覆技術(shù)一般采用重力送粉器，不需要消耗惰性氣體,，因此,，旁軸送粉激光熔覆技術(shù)除了需要使用壓縮空氣以外，不需要消耗其他氣體,。從成本的角度而言,，節(jié)省了較多的惰性氣體成本；從技術(shù)角度而言,，該技術(shù)對粉末材料的抗氧化性有一定的要求,，限制了其應用領域。
3）旁軸送粉激光熔覆技術(shù)由于效率高,、成本低,，一般應用于液壓油缸、軋輥等面積較大,、形狀簡單的零件表面熔覆與增材再制造,。

國產(chǎn)激光送粉打印頭廠商蘇州柯萊得
蘇州柯萊得激光科技有限公司在激光增材制造領域取得長足的發(fā)展，該公司依托于蘇州大學激光制造技術(shù)研究所,，目前主營產(chǎn)品及業(yè)務包括2kW-15kW圓斑光內(nèi)送粉噴頭,，360°空間任意方向方位熔覆噴頭，40mm寬帶熔覆頭(20kW),，各種同步送料激光熔覆通用,、專用整機設備，以及激光制造,、增材制造技術(shù)服務,、培訓等。

他們研發(fā)的光內(nèi)送粉噴頭等核心部件和裝備得到了國家重點研發(fā)計劃重點專項等十余項國家科技計劃支持,，已在國內(nèi)外50多個單位獲得應用,，中央電視臺新聞聯(lián)播等多家媒體報道了此項技術(shù)成果。

光內(nèi)送粉技術(shù)原理
光內(nèi)送粉技術(shù)改傳統(tǒng)實心光束為中空環(huán)形聚焦光束,、改多粉管包圍光束傾斜匯聚送粉（粉包光）為單粉管從光束中心垂直輸送噴射粉末的“光內(nèi)送粉”熔覆技術(shù)（光包粉）,。與傳統(tǒng)噴頭技術(shù)比較，實現(xiàn)了單管精細送粉和光、粉,、氣長程精準耦合,，粉末火星飛濺大大減少，加強了工作光斑邊緣的光能分布,，相對節(jié)省光能20%,，粉末利用率提高1-2倍，節(jié)材環(huán)保,；降低成形件表面粗糙度至Ra1-12μm,；簡化了粉末流道與噴嘴噴頭結(jié)構(gòu)，降低噴頭溫升,�,；�于光��(nèi)送粉噴頭，研發(fā)出懸垂,、空腔,、多分支、扭曲等異型復雜結(jié)構(gòu)件成形工藝,，立,、仰面熔覆、空間變方向360°全方位3D成形噴頭結(jié)構(gòu)與工藝,。研發(fā)了堆積層高與熔池溫度閉環(huán)自適應測控軟硬件,，實現(xiàn)成形過程智能化。

技術(shù)特點：
1)    光,、粉,、氣真正一體同軸，空間噴射無干涉,，加工成形無死角,，粉末火星飛濺小，節(jié)能環(huán)保   
2）  環(huán)形工作光斑掃描能量峰移向周邊,，形成“光鞍”,，光能分布合理
3)    層間熔合好，層間痕跡,、缺陷少,，熔道兩側(cè)熔化充分，表面粗糙度低

設備介紹
該類整機設備是在激光熔覆技術(shù)（LENS）的基礎上研制的打印設備,，主要面向科研院所及企業(yè)用戶,，具備中大尺寸產(chǎn)品打印功能，可選配五軸及相關配套軟件,，主要應用于鐵合金,、高溫合金,、鈦鋁銅類合金等沉積成型。典型打印產(chǎn)品包括航空航天承力結(jié)構(gòu)件,、高溫合金熱端部件,、整體葉盤、關鍵零部件的修復再制造等,。其加工精度、表面粗糙度,、沉積效率,、節(jié)材環(huán)保指標、空間任意方向加工等優(yōu)于同類,。


核心部件介紹
1)光內(nèi)送粉噴頭系列

2)±180°空間全方位激光熔覆成形專利技術(shù)(下圖)

主要應用領域
1)激光表面熔鍍（寬帶熔覆,、高速熔覆）
激光熔覆熔鍍技術(shù)應用于液壓支柱等各種零部件的再制造和新品表面高硬度耐磨耐腐蝕材料的熔覆，替代弧焊以及電鍍涂層等方式,，使得其壽命由10~20個月延長至36個月左右,。
采用寬帶熔覆，大面積效率高,，能一次性獲得薄厚不等（0.1—2mm）的各種功能涂層,，預留較小的磨削余量。熔覆層組織致密均勻,，沒有明顯的裂紋,、氣孔等缺陷，制備出來的熔覆層硬度高,、韌性好,、突出抗裂性好，涂層表面平整度高,。電化學腐蝕性能測試以及摩擦磨損性能均高于超高速熔覆（后者為粉末空中熔化噴向表面的熱噴涂）,。

高速熔覆高鉻鐵基合金Fe55涂層工藝，其熱輸入遠低于傳統(tǒng)熔覆技術(shù),，避免了涂層的元素的偏析,，高速熔覆無覆層搭接痕跡，組織分布更為均勻,，能獲得較薄熔覆層厚度,。相較于傳統(tǒng)熔覆涂層微觀組織形貌，涂層的組織相較于傳統(tǒng)熔覆技術(shù)更加細小,，組織分布更為均勻,，這有利于提高涂層整體的性能。在高速熔覆工藝下,，涂層的稀釋區(qū)僅8μm,，稀釋率約為4%,，在冶金結(jié)合的條件下將稀釋率控制在較低范圍。

2)模具零件修復

3)石油化工閥泵零件強化修復

4) 軸類零件  

△高速軸修復

△軸頭內(nèi)錐孔修復

5）冶金軋輥類修復

△連接頭修復

△型材軋輥強化

6) 其他行業(yè)零件強化修復

7) 復雜異形結(jié)構(gòu)件成形
復雜異型結(jié)構(gòu)件應用領域包括航空航天,、機械,、船舶等。運用此技術(shù),，可實現(xiàn)懸臂,、扭轉(zhuǎn)、閉合,、狹小空間,、內(nèi)壁、不規(guī)則表面等各類異形結(jié)構(gòu)的空間全方位修復,、焊接和3D成形,。

△多元扭曲薄壁件成形

先進航空器制造、核電,、化工業(yè)生產(chǎn)和國防裝備的研制過程中,常有半封閉或全封閉空心零部件的制造需求,。例如航空發(fā)動機的機閘、放電反應艙體,、薄壁壓力容器封頭,、燃燒室、閉式葉輪等,。

  

△花瓶,、葫蘆、薄壁空心球成形

             

△長懸臂支狀結(jié)構(gòu)

△無支撐立面成形大型薄壁回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)

8)易氧化航空材料成形及移動式現(xiàn)場修復
南極熊3D打印網(wǎng)93item.com注意到,，鈦合金和鋁合金具有比強度高,、高低溫性能以及耐腐蝕性好等優(yōu)點，并在航空航天,、醫(yī)療等領域有廣泛的應用,。針對目前應用惰性氣體封閉箱進行鈦合金增材制造中加工零件尺寸受到箱體限制、惰性氣氛準備時間長以及設備移動不便等問題,，柯萊得提出了一種開放式局部惰氣保護激光熔覆成形方法,，自主研制了新型光內(nèi)送粉和局部噴氣一體化熔覆噴頭，實現(xiàn)了在大氣環(huán)境下直接進行鈦,、鋁,、銅合金材料的激光熔覆成形。

9) 大中院校和科研單位應用需求

工程型6關節(jié)激光熔覆機器人式3D打印機,，主要針對大中院校和科研單位,，可用于科研、教學,、加工服務,�,？捎糜诮饘僭霾闹圃欤�3D打印）,、激光切割焊接等加工和教學,，機器人技術(shù)、智能制造,、數(shù)控編程,、新材料開發(fā)等課程教學。配套KUKA編程資料（軟件包）學習數(shù)控編程及金屬3D打印知識,�,？蓾M足激光熔覆、焊接,、切割等多種加工工藝，實現(xiàn)一機多用;激光器及各種加工頭可選配,，滿足個性化需求,，配備多軸變位機和直線滑軌。

△成套多功能設備方案圖（可選配）

結(jié)語
定向能量沉積技術(shù)（DED）技術(shù)由于其獨特的加工方式以及優(yōu)于SLM技術(shù)的成型效率,，將金屬3D打印技術(shù)與多種技術(shù)相結(jié)合,，搭配激光增減材系統(tǒng)，最終會將激光增材制造推上真正的高效率,、高精度的道路,。未來，我國的定向能量沉積技術(shù)能否在全球金屬3D打印領域保持較高的地位,，關鍵之一就在于像送粉打印頭這類核心部件裝備技術(shù)水平的不斷發(fā)展和突破,。

如今，激光增材制造技術(shù)在各個領域的成功應用與日俱增,，尤其是航空航天,、科研、核電,、船舶等重要領域,。因此，我們更需要核心技術(shù)牢牢把控在自己手里,，才不會在關鍵的“卡脖子”問題上陷入被動,，中國絕不能讓高端增材制造成為第二個“光刻機”。不過,，南極熊有理由相信,，有著像蘇州柯萊得、廣州雷佳,、西安鉑力特,、中科煜宸,、煜鼎增材、鑫精合,、南京輝銳,、山東雷石、江蘇永年激光,、天津亞琛聯(lián)合等這類在金屬增材制造裝備開發(fā)及應用上不懈深耕的國內(nèi)企業(yè),，我國金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展必將在國際上激蕩的競爭潮流中闖出國產(chǎn)化的一片天地！