降低成本，Fraunhofer开发EW2C螺旋金属丝激光3D打印方法

| 3DScienceValley · 2021/01/06

根据3D科学谷的市场观察，作为动力和扭矩的传递器，轴是汽车、飞机、轮船或风力涡轮机中不起眼但不可替代的组件。每年全球都会生产数十亿个各种尺寸的组件，其中大多数带有肩部或其他表面特征。Fraunhofer IPT弗劳恩霍夫工业技术研究所的一个团队现在已经开发了用于轴表面处理的“ Express Wire Coil Lading”（简称EW2C）增材制造工艺。

根据3D科学谷的了解，EW2C工艺是轴加工（例如车削）的替代方法，不仅节省资源，而且降低了成本。

EW2C过程的三个步骤：定位，熔覆和精加工（从右到左）©Fraunhofer IPT，德国亚琛

更经济、更高效

Express Wire Coil Lading是一种基于金属丝的增材制造工艺，通过激光逐层熔化接合金属丝来构建零部件或结构。与传统的激光金属沉积（LMD）相比，材料不会以金属丝的方式连续地送入工艺中，取而代之的是，首先将金属丝以螺旋形式推到轴上的所需位置，然后在此处用大功率激光焊接。

由于螺旋线被置于轴上的张力下缠绕的，因此它们在激光加工过程中不会打滑。Fraunhofer IPT开发这种强大的工艺的初衷是为了使复杂的轴的生产更具成本效益和资源效率。

EW2C采用可移动的外壳，可使用保护气体以获得较高的工艺质量。©Fraunhofer IPT，德国亚琛

强健可扩展

根据3D科学谷的了解，最近几个月进行的研究为Fraunhofer IPT的科学家们提供了乐观的理由：与传统的基于线的激光金属沉积相比，线螺旋的张力将工艺稳定性提高了十倍，因为可以防止在焊接过程中线的意外移动。研究人员还能够证明EW2C工艺非常适合于厚层的沉积：在单层中，根据金属丝线的厚度，科学家成功地一次涂覆了0.5 – 2mm的导线厚度，这个过程可以跟上车削的周期时间。

在测试系列中，该工艺在不到一分钟的时间内将25mm高，1.2mm厚的Inconel 718螺旋焊接到了外径为35毫米的钢制轴杆钢轴上。当重复这些步骤时，甚至不同的材料组合也是可能的，从而可以对零件表面进行功能化并生成想要的几何形状。

实心轴，薄壁空心轴和管的进一步发展

为了改进已经申请了专利的新工艺，Fraunhofer IPT的科学家们正在努力进一步优化工艺稳定性并实现工艺自动化。3D科学谷了解到他们为了进一步提高处理速度，正在尝试扩大激光焦点的几何形状，从而同时激光照射和熔化多个螺旋线圈。

此外，下一步还将通过结合不同的螺旋长度和其他线材，将高度复杂的加工工艺应用于轴。为此，研究人员正在测试该工艺对实心轴以及薄壁空心轴和管材的适用性。

传感器与人工智能加持

为了进一步实现产业化，3D科学谷了解到Fraunhofer IPT的科学家们正在研究使用集成传感器技术，科学家们在过程中记录各种其他数据，并通过人工智能（AI）对其进行处理。

这些数据将构成对不同材料和工艺参数进行建模和主动控制EW2C的基础。借EW2C技术，Fraunhofer有可能在已经发展了几十年的3D打印-增材制造行业中引发更大的创新。

增材制造释放出巨大的潜力，尤其是在金属领域，一切正在加速，一切又在刚刚开始。

3D科学谷Review

德国的七个秘密》一书指出Fraunhofer使得制造与创新相互耦合，而美国没有可以匹敌弗劳恩霍夫的机构。弗劳恩霍夫研究所侧重应用研究，目标是提供有商业价值的解决方案，在基础研究与商业化之间架设了一座桥梁。

根据3D科学谷的了解，在通过激光熔覆金属丝方面，德国Fraunhofer IPT工业生产技术研究所此前还开发了一种金属丝激光沉积技术（wire-based laser metal deposition，LMD-W），材料利用率可达100%。基于LMD-W 技术的增材制造设备采用模块化设计，可以经济高效的集成到企业的现有生产线中。其激光打印头适用于常见的激光光学系统，因此不需要复杂的定制光束引导系统。内置传感器可以检测到运行过程中出现的典型错误，因此这些错误能够在加工过程中得到分析，设备的控制系统针对错误进行补偿。

LMD-W 设备采用横向送丝方式，金属丝与光轴成20度角。打印丝材包括多种钢，以及镍基和钛基合金等金属丝材。根据3D科学谷的市场了解，目前Fraunhofer IPT的此项技术已经在日本拥有技术转让用户。

在3D打印-增材制造方面，以亚琛Fraunhofer ILT, 亚琛Fraunhofer IPT，亚琛工业大学为基础成立了亚琛增材制造中心ACAM（Aachen Center for Additive Manufacturing。目前有超过100多名科研人员从事增材制造的科研，解锁增材制造复杂奥秘，ACAM集中亚琛的优势资源推动增材制造联合研发、培训教育、认证、产业孵化等多方面的发展。