激光定向能量沉積技術(shù)兼顧效率、成本、質(zhì)量，適用于中大型構(gòu)件增材工程應(yīng)用場景。南理工與英尼格瑪強強聯(lián)合，共同研發(fā)了高性價比的多光束集成絲光同軸激光定向能量沉積技術(shù)，填補該項技術(shù)國內(nèi)空白。目前已完成整套裝置的原型開發(fā)、制造、調(diào)試，正式進入實測和迭代優(yōu)化階段。這標志著我國在這一領(lǐng)域已取得重要突破，有望在未來實現(xiàn)自主可控的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

激光定向能量沉積

定向能量沉積（Directed Energy Deposition, 簡稱DED）是增材制造技術(shù)7大標準分類之一，亦是當下工業(yè)級金屬增材制造的主流技術(shù)之一。DED的工藝原理是利用聚焦熱將材料同步熔化沉積（GB/T35021-2018），可依據(jù)所采用的熱源不同，細分為激光定向能量沉積（DED-LB）、電弧定向能量沉積（DED-Arc）、電子束定向能量沉積（DED-EB）。

其中，采用激光作為熱源，可以更精準的控制熱輸入從而提升增材精度，實現(xiàn)更復(fù)雜的幾何形狀，包括各種內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)和細節(jié)的增材制造。同時激光工藝過程更穩(wěn)定，飛濺和爆破更少，從而減少缺陷的產(chǎn)生。相對于電弧成本低、精度低和電子束效率高、成本高的特點，激光定向能量沉積具備兼顧效率、成本、質(zhì)量的前景。另一方面，由于激光無需考慮材料的導電特性，因此激光增材材料不僅可以選擇金屬，還可以選擇陶瓷、塑料等非金屬，也為復(fù)合材料的增材難題提供了解決思路。     

激光定向能量沉積技術(shù)，又可依據(jù)所采用的材料形式不同，細分為激光送粉和送絲兩類。相比于送粉增材制造，送絲具有更高沉積速率和低氣孔缺陷傾向的優(yōu)勢，同時由于材料利用率更高、原材料成本更低從而整體加工成本更低，因而更適用于中大型構(gòu)件增材工程應(yīng)用場景，具有更大的商業(yè)化價值。

然而，早期的激光熔絲增材研究多采用傳統(tǒng)激光焊接采用的旁軸送絲形式，雖然加工平臺易于搭建，但在增材制造場景下，一方面存在掃描方向性和受熱不均勻性等問題，難于滿足沉積層尺寸和性能在各方向的一致性，另一方面成形路徑復(fù)雜多變時，送絲方向與掃描方向相位關(guān)系的保持依賴于結(jié)構(gòu)設(shè)計，增大了成形控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，解決絲光同軸問題是激光定向能量沉積技術(shù)發(fā)展必須攻克的技術(shù)難點。

絲光同軸技術(shù)路線選擇

01 光內(nèi)or光外

實現(xiàn)光粉同軸，總體思路分為光內(nèi)、光外兩種。然而送絲與送粉不同，由于絲材直徑較大、激光光斑較小，無法實現(xiàn)將多束絲送至同一光斑內(nèi)熔化。因此實現(xiàn)絲光同軸，多采用光內(nèi)同軸技術(shù)。

02 分光束or多光束

光內(nèi)同軸送絲，即是采用“光包絲”的光絲耦合方式，實現(xiàn)光束中空、絲路居中的光內(nèi)送絲。

早期光內(nèi)同軸送絲的思路，是采用一束激光分三光束再將光斑拼接形成環(huán)狀分布。這一技術(shù)近年來逐漸發(fā)展成分環(huán)形光束光內(nèi)同軸技術(shù)，可以有效的將材料與光束同軸地送到融化區(qū)域，光束輪廓呈中空環(huán)形，并直接聚焦到絲材和工件表面之間的交匯區(qū)域處。

然而，實現(xiàn)分環(huán)形光束光內(nèi)同軸需要依賴非常復(fù)雜的鏡組設(shè)計，導致設(shè)備硬件投入及維護成本直線飆升，與中大型構(gòu)件增材工程應(yīng)用場景所追求的低加工成本相悖，依舊制約著激光定向能量沉積技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此，具有更高性價比的多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)應(yīng)運而生。

03 多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)

如西班牙Meltio公司，依托多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)開發(fā)的核心產(chǎn)品包括Meltio M450小尺寸工業(yè)金屬3D打印機和Meltio引擎，首次將激光定向能量沉積系統(tǒng)成本降至10萬歐元級別，其產(chǎn)品一經(jīng)問世即對國外增材市場格局造成重大影響，成立4年時間即達成銷售近300臺套的搶眼戰(zhàn)績，一躍成為DED領(lǐng)域的頭牌，足見市場對這一技術(shù)的認可。

然而，目前在國內(nèi)，并沒有相關(guān)企業(yè)可以提供同類技術(shù)的產(chǎn)品。而因一些原因，該技術(shù)的引進也存在障礙。2021年Meltio公司曾一度表示計劃在中國建設(shè)展示中心，而在2022年末，再與Meltio公司接洽得到的回復(fù)就變成了：“暫無在中國市場進行銷售的規(guī)劃。”在中國增材市場形勢大好的局面下，這一態(tài)度轉(zhuǎn)變背后的原因可想而知。

填補國內(nèi)空白

為打破多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)被國外企業(yè)壟斷和封鎖的格局，2022年末由南京理工大學智能焊接與電弧增材技術(shù)團隊牽頭，與國內(nèi)定向能量沉積增材領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)南京英尼格瑪工業(yè)自動化技術(shù)有限公司強強聯(lián)合，開始布局多光束集成絲光同軸激光定向能量沉積技術(shù)的裝備研發(fā)。歷時1年，現(xiàn)已完成整套裝置的原型開發(fā)、制造、調(diào)試，正式進入實測和迭代優(yōu)化階段。

該套設(shè)備包括機器人、激光同軸裝置、水冷裝置和電控柜，通過電控柜上的控制裝置和路徑切片軟件IungoPNT，來實現(xiàn)模型的增材成形。

其中，核心的激光同軸裝置采用多光束集成絲光同軸技術(shù)，實現(xiàn)近似環(huán)形光斑拼接，同時通過更簡潔的鏡組設(shè)計，可以大幅降低硬件造價和維護成本；實現(xiàn)直立式結(jié)構(gòu)形式，相較于分環(huán)形光束常見的L型和Z型結(jié)構(gòu)，更利于機器人集成，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)增材場景中具有更高的靈活性；同時，實現(xiàn)光束獨立控制功率、波形，為工藝控制提供更多靈活性。

使用該設(shè)備進行不銹鋼增材測試，路徑選擇窄道薄層的弓字形，表面較為光潔，紋路無明顯宏觀缺陷。

通過Tardis IGNIS熔池相機觀察并記錄，過程穩(wěn)定，無飛濺。

直線往復(fù)增材測試-激光DED-熔池

目前，該套設(shè)備能滿足長時間連續(xù)穩(wěn)定增材，包括穩(wěn)定的激光出光和操作界面各種參數(shù)實時調(diào)節(jié)的準確性。

圓柱增材測試-激光DED

而通過Tardis IGNIS熔池相機，能觀察到在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，熔滴過渡為液橋過渡，材料熔覆沉積的情況良好，過程穩(wěn)定。

在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，其增材件的表面紋路較為細膩，外壁表面粗糙度可達Ra6.3~12.5。

未來，項目團隊將持續(xù)對該系統(tǒng)進行測試和迭代，相信在不遠的將來，自主可控的成熟產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品就會走向市場，或?qū)�為國�?nèi)增材行業(yè)拓展新方向，讓我們拭目以待。

文章來源：3D打印技術(shù)參考

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