Makino 聯(lián)手德國(guó)弗勞恩霍夫，將超高速激光熔覆技術(shù)“嫁接”到五軸 CNC 平臺(tái)

2024年7月4日，南極熊獲悉，總部位于日本的全球知名機(jī)床制造商Makino公司和弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所 (Fraunhofer ILT)正在展開合作，計(jì)劃使用 EHLA 和 EHLA3D 重新定義增材制造的界限。通過將超高速激光熔覆技術(shù)（EHLA3D）集成到五軸 CNC 平臺(tái)中，他們開發(fā)了一種能夠使用高強(qiáng)度材料高效生產(chǎn)、涂層或修復(fù)復(fù)雜幾何形狀的工藝。此次合作縮短了關(guān)鍵行業(yè)的生產(chǎn)時(shí)間并延長(zhǎng)了零件壽命，同時(shí)為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的未來創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

激光技術(shù)在制造業(yè)中發(fā)揮著核心作用，尤其是在增材制造領(lǐng)域。在此背景下，F(xiàn)raunhoferILT和Makino希望將EHLA3D技術(shù)“嫁接”轉(zhuǎn)移到五軸 CNC 平臺(tái)上。然而，要做到這一點(diǎn)，必須開展運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，以使加工頭能夠快速動(dòng)態(tài)地移動(dòng)以進(jìn)行 EHLA3D 工藝。

這樣就可以靈活地加工各種幾何形狀，并且可以使用各種各樣的材料涂覆組件。最初，項(xiàng)目合作伙伴只考慮增材制造，但需要修復(fù)的目標(biāo)主體很快就出現(xiàn)了。ILT激光金屬沉積（LMD）方向的項(xiàng)目組長(zhǎng)Min-Uh Ko 說：“維修非常令人興奮。許多昂貴的部件都必須更換，即使是輕微的缺陷。像Makino提供的帶有旋轉(zhuǎn)和傾斜工作臺(tái)的靈活系統(tǒng)實(shí)際上提供了良好的修復(fù)選項(xiàng)，這節(jié)省了新產(chǎn)品的成本，避免了運(yùn)輸和交貨時(shí)間，并最大限度地減少了停機(jī)時(shí)間。此外，修復(fù)主題是未來循環(huán)經(jīng)濟(jì)的基本先決條件�！�

△ILT的 Min-Uh Ko（左）和Makino的 Johannes Finger 博士（右）。圖片來源：弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所

Makino 在該項(xiàng)目中的任務(wù)不僅限于CNC 硬件，還包括過程控制，因?yàn)楸仨毻耆�重新設(shè)計(jì)。挑戰(zhàn)在于從技術(shù)上使機(jī)器適應(yīng)高加速度，并優(yōu)化過程控制和機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)，以精確控制激光束與材料之間的相互作用。

Makino新加坡子公司開發(fā)的機(jī)床有效進(jìn)給速度高達(dá)每分鐘 30 米，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，速度非�？臁＿@種速度在加工大型復(fù)雜部件時(shí)非常有利，因?yàn)樗�可以大大縮短生產(chǎn)時(shí)間。技術(shù)改進(jìn)使最終產(chǎn)品始終保持高質(zhì)量，并提高生產(chǎn)過程的效率，這對(duì)于航空航天和工具制造行業(yè)的高質(zhì)量部件尤為重要。

Makino項(xiàng)目經(jīng)理 JohannesFinger 博士說：“Makino以其高精度 CNC 系統(tǒng)而聞名于世。進(jìn)軍增材制造，尤其是高速 LMD，代表著牧野產(chǎn)品組合的戰(zhàn)略擴(kuò)張。聯(lián)合開發(fā)的五軸 CNC 機(jī)器現(xiàn)在使我們能夠快速、精確地生產(chǎn)難以焊接的材料（例如高強(qiáng)度鋼或碳化物）的復(fù)雜幾何形狀。這是獨(dú)一無二的。”

聯(lián)合優(yōu)化提高效率和精度

Fraunhofer ILT 為該項(xiàng)目貢獻(xiàn)了其在激光制造工藝領(lǐng)域的豐富專業(yè)知識(shí)，并帶來了全面的基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)施。憑借數(shù)十年 LMD 工藝和組件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，該研究所為優(yōu)化加工各種材料的工藝參數(shù)并最終將新技術(shù)轉(zhuǎn)讓給工業(yè)試點(diǎn)客戶 toolcraft AG 做出了決定性貢獻(xiàn)。這包括調(diào)整激光參數(shù)、微調(diào)粉末進(jìn)料以及優(yōu)化CNC 機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制。

△AML500 加工機(jī)。圖片來源：Makino

著名材料專家 Min-Uh Ko 說道：“優(yōu)化熱量輸入是 EHLA3D 工藝的一個(gè)關(guān)鍵方面。進(jìn)料速率和粉末氣體噴射在控制引入材料的熱量方面起著至關(guān)重要的作用。通過調(diào)整進(jìn)料速率和粉末質(zhì)量流量，我們可以精確控制熱量輸入，減少熱影響區(qū)，并確保涂層質(zhì)量均勻�！�

Johannes Finger 說道：“通過使用高進(jìn)料率和優(yōu)化的粉末進(jìn)料，我們可以在保持相同甚至更高精度的情況下顯著提高材料應(yīng)用效率。因此，HS-LMD 的堆積率可以顯著提高，從而提高生產(chǎn)過程的整體效率。”

高性能部件的修復(fù)和涂層

該項(xiàng)目的目標(biāo)之一是對(duì)正常運(yùn)行期間承受高負(fù)荷的高質(zhì)量工具和機(jī)器零件進(jìn)行維修和保養(yǎng)。合作伙伴能夠通過改進(jìn)的 EHLA3D 技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，EHLA3D 技術(shù)還成功用于涂層磨損部件，從而顯著提高了這些部件的使用壽命。由于現(xiàn)在可以精確高效地涂覆耐磨涂層，EHLA3D 已成為延長(zhǎng)采礦和重工業(yè)等各個(gè)行業(yè)部件使用壽命的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

Makino 能夠如此迅速地將結(jié)果應(yīng)用于新型 AML 500 加工機(jī)，這一事實(shí)一方面表明了機(jī)器制造商 CNC 系統(tǒng)的靈活性。另一方面，實(shí)際應(yīng)用也表明 EHLA3D 技術(shù)不僅僅是一個(gè)理論概念，而是一項(xiàng)先進(jìn)、強(qiáng)大且適用于工業(yè)的技術(shù)，在成本、效率和性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。工業(yè)客戶與 Fraunhofer ILT 之間的合作帶來了制造技術(shù)的切實(shí)改進(jìn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

未來發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵方面將是確定和驗(yàn)證 EHLA3D 工藝的新應(yīng)用領(lǐng)域。由于可處理的材料系統(tǒng)變得如此靈活，這種擴(kuò)展的 EHLA 工藝現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)移到通常無法研究的應(yīng)用，因?yàn)?LMD 工藝有這樣的局限性。這尤其適用于多材料系統(tǒng)的應(yīng)用和精細(xì)結(jié)構(gòu)的打印。