展望激光金属沉积技术的发展前景

使用激光金属沉积(LMD)的增材制造(AM)机在连续的流中熔化金属粉末来制造零件。这个过程看起来像焊接，但这种印象是误导人的。这种相似性表明，这是一种有点原始的过程，一个人不能够处理精细的细节或复杂的几何图形。但只要和福尔合金呆上一个下午，这些误解就会烟消云散。

Formalloy是一家位于加州圣地亚哥的初创公司，它已经开发出了沉积头和全LMD系统，不仅能够处理精细细节和复杂的几何形状，而且还能实现新材料和沉积策略，甚至知道设计思维。

Formalloy联合创始人兼董事总经理梅勒妮•朗(Melanie Lang)表示:“工程师们习惯于针对单一材料设计零部件。”“但激光金属沉积技术可以将多个部件和材料组合成一个结构。它可以完全改变我们对制造东西的看法。”

满足专业需求

公司成立于2016年，共有四名员工。联合创始人朗和杰夫·黎曼在波音工作时相识。朗后来在洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)继续她的航天工程职业生涯，而黎曼继续在一家专注于等离子体和水射流切割的机器设计公司工作。他们的经验给了福尔合金公司目标和实现目标的手段。也就是说，Lang在航空航天工业的任职使她确信，在交货时间、工具和成本方面的挑战产生了对增材技术的真正需求，而Riemann在机械设计方面的工作使他具备了开发制造系统以应对这一挑战所需的专业知识。今天，该公司生产自己的沉积头，喷嘴和粉末输送系统，以及使用这些组件的独立添加剂制造机器。

但为什么激光金属沉积？郎说，答案是多功能性的。LMD支持各种应用，从修复到包层，以加剧从头划痕的一部分。这种范围是至关重要的，因为它提供了多个入口点到附加点以及增长的空间。一家公司可能首先为修复应用引入添加剂，例如，看到能够快速将材料添加到损坏的部分上的近似立即益处。但是，一旦LMD机器安装在设施，本组织可能会找到它的新应用，导致更高级使用设备进行设计效益，按需制造或甚至生产应用。

郎说：“寻找用于工具和原型的添加剂应用程序很常见。”“但是我们希望看到添加剂技术用于全尺寸的生产部件，非常大的部件甚至一些大容量零件。我们可以通过快速沉积速度和我们系统的可扩展性来实现这一点。“

多功能性加上可用性

沉积率和可扩展性LANG参考来自五金铝合金开发了柔性产品。GONFALLOY的核心产品是其FORMAX激光沉积头，可单独购买（与机器人手臂或机床中使用）或作为完整LMD系统的一部分。Formax头部具有同轴喷嘴，组合内喷嘴，其中激光器与用于金属粉末的外喷嘴一起通过。该设计使得沉积速率为每小时15磅以上，该公司表示，粉末效率为95％。有四个喷嘴尺寸，具有8毫米的分辨率，用于沉积较厚的材料层，如包层应用，以及更细节细节的较小喷嘴，分辨率降至0.5毫米。喷嘴可更换并用螺纹连接连接到头部，使得用户可以在没有卸载头部之间的情况下改变它们。提供小手工具以帮助这种变化。

头与机器主轴或机械臂通过一组闩锁连接，而不是固定螺丝，因此即使在使用手套箱时，也可以很容易地拆卸或更换。为什么用户想要换掉头部?维护和清洁可能是一个原因，追求混合动力制造可能是另一个原因。但用户也可能拥有两个头部，带有两个不同的激光源。Formalloy提供红外(IR)激光配置，通常用于沉积和粉末床系统，以及蓝光激光器。

蓝色激光器使用比IR激光更短的波长，使其能够在高功率下实现更高的效率。Lang说，金色和青铜等金色和“金色的”材料像铜和青铜一样的材料反映了IR激光器，但可以更好地吸收蓝色激光的短波长。一些材料也表现得不同;例如，钛更快地进程并更快地建立。由蓝色激光器的功率启用的速度可能是一个福音，适用于想要快速建立用于测试的材料样本的研发组织，或者使用更大范围的材料进行实验。双激光选项还允许涉及多种材料的创新应用，例如将覆层施加到基材以赋予强度，热性能甚至磁性的特性。

Formalloy的LMD基线系统是x系列机器，起价20万美元，配备500 w激光沉积头、一个送粉器和三个运动轴。用户可选择功率更大的红外激光器或蓝色激光头，共4个粉库，5个移动轴;该公司表示，在没有粉床或重胶机刀片等限制因素的情况下，机器的外壳结构“从毫米到米”都是灵活的。用户还可以选择使用保护气体，或将机器设置为在惰性气氛中沉积。惰性配置为机器配备了一个手套箱附件，用户可以在不脱气的情况下切换部件和机器元件，节省了时间和燃气成本。当手套箱就位时，机器还提供了一个小气闸，用于通过部件、喷嘴或头进出系统。

导致专业知识能力

虽然Formalloy已经开发出了强大的技术，但学习如何在特定情况下最好地应用它们仍然是一个过程。去年，当我参观福尔合金在圣地亚哥的工厂时，该团队正在进行一个研发项目，为美国宇航局建造一个爆炸容器。尽管该公司对成为零部件供应商不感兴趣，但朗认为这样的项目对赢得新业务至关重要。在这种情况下，NASA的兴趣不是让Formalloy提供零件，而是确定一个潜在的制造过程。

研发工作还有助于公司与客户一起学习，并弄清楚如何以最有效的方式使用自己的技术。例如，爆炸容器需要将因科乃尔合金包覆在铜管上，以提高其强度。进行这项工作的x系列机器配备了红外激光，这更适合于因科镍铁合金。然而，由于铜基材的反射特性，Formalloy在机器内部以一定的角度固定管，这样激光就不会以直角碰到零件，并在头部反射回来。

弄清楚如何让不同的金属协同工作是一个持续的挑战，但也开启了许多潜在的应用。多个粉末给料器可以给四种材料到沉积头，并在一个梯度下放置它们。一些金属可以很好地协同工作，而另一些金属间化合物可能会形成问题，导致脆弱的连接可能会断开。在这些情况下，Formalloy已经了解到，它可以使用第三种中间材料来缓解两者之间的过渡。该公司正在试验其他不同的金属组合，如不锈钢和钛。

如果Formalloy能够制定出正确的工艺，将这些材料应用在一起，那么成功将打开一扇门，创造出独特的部件性能，否则是无法实现的。例如，为了更好的热传导，铬镍铁合金零件可以用铜条束接。一种廉价的钢可以覆以钨铬钴合金，以提高耐磨性和耐腐蚀性。那些可能由两种不同金属组成的部件组装而成的部件可能会变成一个整体。有了这些可供选择的选项，工程师们可以用以前无法想象的方式重新设计零部件和组件。

自动化和学习

实现独特的零件设计和属性也取决于该过程的可靠性和可重复性。这就是为什么Gildalloy一直在努力闭路过程控制，这将有助于自动化LMD，并保证所得部分的质量。据郎，该技术需要通过三个成熟度水平来获得真正自动化的过程：能够感知过程中发生的事情;通知人类纠正出现的任何问题;最后，“学习”纠正没有人类参与的问题。

GENTALLOY现在进入第三阶段。其X系列系统能够基于机器运动的智能沉积策略，例如减少角落的激光功率等减速点，以限制材料积聚，并保持整个构建中的能量曝光速度。更快的速度和较低的功率导致较薄的沉积，而慢速和更高的功率等于更厚的材料沉积物。

该公司最近还推出了动态层选择技术，该技术使用激光扫描来监测打印过程中的质量和准确性。该机器在构建过程中捕捉图像，创建每一层的地形图，测量其高度，并与CAD模型进行比较检查缺陷。这个函数独立于运动控制来跟踪构建的进程。目前，如果系统检测到一个缺陷，它将停止构建并通知操作员。

但最终，动态层选择将使机器在继续之前修复错误本身。该系统将能够沉积额外的材料，例如，防止出现孔隙，并阻止误差在整个部件中放大。未来对闭环过程控制的其他升级将包括集成红外摄像机来监控熔池，以帮助确保最终部件的密度。

虽然多材料和梯度能力可能是激光金属沉积的前景，但Formalloy认为闭环过程控制和质量保证是LMD实现其全部前景的发展方向。

朗说:“我认为最重要的是确保我们能够获得传统制造的质量和可重复性，甚至更好。”她说，一旦完成这一任务，LMD的下一步就是帮助添加剂向全面生产过渡。