“机械臂+激光沉积” ,大尺寸复杂金属零件增材制造新途径-金属3D打印工厂

“机械臂+激光沉积” ,大尺寸复杂金属零件增材制造新途径-金属3D打印工厂插图

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“机械臂+激光沉积” ,大尺寸复杂金属零件增材制造新途径

| 3DScienceValley · 2021/12/22

关于“送粉”和“送丝”的增材制造工艺,我们通常的印象是大型的工业级制造设备,而且这些设备通常非常昂贵,其加工尺寸受到设备本身的限制。那么有没有一种新的途径,可以让加工尺寸本身突破限制,但又可以一定程度上保证加工精度与质量?

根据3D科学谷的市场观察,机械臂与定向能量沉积增材制造工艺的集成,是突破加工尺寸限制,制造复杂金属零部件的新途径之一。日前,Meltio公司揭示了一种通过这一途径来实现金属增材制造的技术,并透露了其对于中国市场的计划。

“机械臂+激光沉积” ,大尺寸复杂金属零件增材制造新途径

悬垂样件3D打印© MELTIO

无固有尺寸限制

Meltio 向市场上提供三种形式的激光沉积增材制造技术。一种是基于该技术的小型工业金属3D打印设备,另外两种分别是可集成到CNC 机床与可集成到机械臂中的“Meltio引擎”激光沉积增材制造模块。

Meltio采用的定向能量沉积工艺主要是金属线材激光金属沉积技术(LMD),也可以实现金属粉末的沉积。模块化的增材制造系统利用多个高功率激光器将金属线材直接熔化到下方的基材上,从而形成完全致密的金属零件。多个激光器的优势是使得系统拥有可扩展的激光功率。

“机械臂+激光沉积” ,大尺寸复杂金属零件增材制造新途径

 灵活的尺寸与材料沉积方向

“Meltio引擎”增材制造系统非常紧凑,可以与机械臂集成在一起,如果配置上额外的轴定位器,将能够进行多轴联动,使得零件的多个方向都可以实现垂直的材料沉积,从而为零件提供更好的表面质量,并为同一零件提供多种解决方案。

集成到机械臂的“Meltio引擎”增材制造模块在进行金属零件增材制造时,并没有固有的尺寸限制,其工作范围仅受到机械臂动系统的限制,并且能够与市场上的任何机械臂制造商和接口集成,尤其适合制造大型、复杂的3D打印金属零件,或者进行零件修复、涂层。

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 灵活的双材料组合

在材料方面,Meltio 引擎增材制造系统有两个特点。一是可以同时使用金属丝和粉末进行打印,Meltio 公司从事材料研究的大学用户,对这一功能进行了探索。第二个特点,在升级的配置中,一个Meltio 引擎可配置双线材选项,通过快速线切换同时 3D 打印两种线材。

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用于覆硬层或耐腐蚀层的双金属线材3D打印;或打印金属线材与粉末,实现动态创建新合金。

© MELTIO

Meltio 引擎增材制造模块采用开放材料系统,可用材料包括不锈钢、低碳钢、碳钢、钛合金和铬镍铁合金,目前铜金属材料的应用正在开发中。

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 应用探索

Meltio 公司目前正在大力拓展其Meltio 引擎增材制造模块的应用。3D科学谷将介绍其中三种316L 不锈钢材料的应用,这些应用体现了该技术的宽工艺窗口。

I 叶盘

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五叶螺旋桨

增材制造的五叶螺旋桨用于中型船舶。在传统加工中,零件在铸造后会进行机加工和抛光步骤,以满足船舶工业的要求。Meltio增材制造模块则是直接进行近净形成型,然后再进行抛光后处理,免去了许多反复的加工流程。

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尺寸:600 Ø mm, 250 mm

重量:12.1kg

层厚:0.6-1.2 mm

材料:316L不锈钢

增材制造技术:Meltio 机械臂集成模块

后处理:抛光

应用激光沉积增材制造技术的驱动因素包括:制造时间、零件的复杂度,以及成本。根据Meltio,该零件3D打印时间为43小时40分钟,打印成本为:189.71欧元(加工中使用了液化气体)。

螺旋线圈

螺旋线圈3D打印样件的独特之处在于非平面切片,优化了单个层中每个点的厚度。这种切片方法适用于许多复杂的几何图形。

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尺寸: 管道60 Ø mm , 354 x 376 x 525 mm

重量: 3.56 kg

材料:316L不锈钢

保护气体:氩气

层厚:0.4 – 0.8 mm

增材制造技术:Meltio 机械臂集成模块

后处理:抛光

该零件的增材制造应用驱动因素包括:复杂结构、批量少、难加工。

在市场方面,Meltio 正在探索在航空航天、能源、医疗、电子、汽车等各领域的可能性。他们计划2022年在全球开设4-5个展厅,并建立在这些区域的销售渠道,其中包括中国市场。

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 “拥抱” 金属增材制造技术的工业机器人企业

根据3D科学谷的市场观察,著名工业机器人制造商库卡,也在积极的探索机械臂与定向能量沉积增材制造集成技术。

库卡与Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所有一个合作项目-ProLMD

,证明了机器人+粉末材料激光沉积/金属丝激光沉积的可行性。由Fraunhofer ILT 研究所开发的增材制造技术采用模块化设计,可以经济高效的集成到企业现有的带机械臂的生产线中。

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带有LMD处理头和集成线激光扫描仪的机器人系统,该机器人几乎可以不受任何限制地加工并实现复杂的几何形状。

© Fraunhofer ILT

在ProLMD项目中,合作方通过Fraunhofer ILT 研究所加深了对粉末材料激光沉积和金属丝激光沉积工艺的科学理解,并对熔覆装置进行了必要的改进。在工业制造环境中,需要在受控气氛中通过机器人进行熔覆作业,并通过非接触式测量技术以确保质量。Fraunhofer ILT在加工工艺和质量控制方面具备深厚的开发经验,从而开发出模块化解决方案。这是专门针对中型公司而设计的,使得增材制造过程的可用性和易于处理方面提升了一大步。

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Fraunhofer开发的模块化激光金属沉积技术。

© Fraunhofer ILT

库卡将增材制造视为目标市场,正在尝试为其机器人技术树立新标准。库卡希望使的整个增材制造解决方案更便宜,并开发标准化的机器人单元。目前,库卡打造了完整的基于机械臂的增材制造系统,库卡机器人+激光沉积技术的解决方案有望成为一种更为经济的增材制造解决方案。

2020年,全球每万名制造业劳动人口平均使用126个机器人,同比与2015年的数据,66个/每万人劳动人口,提升了两倍。而中国工业机器人密度,从2015年的49台每万人,增长至246台每万人[1]。在制造业工业机器人蓬勃发展的趋势下,将激光沉积模块与机械臂相集成的增材制造方式,为增材制造-3D打印技术在生产中的应用带来广阔的想象空间。

参考资料:

[1] 国际机器人联合会(IFR).《世界机器人2021工业机器人》

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