應用激光技術革新生產工藝

引用自 激光世界

　　專家預計由于激光快速成型技術的出現，生產工程將出現一次劃時代的革新。該技術能在不增加成本的前提下極大提高工藝復雜度和獨立性。LASER World of PHOTONICS 2013慕尼黑國際應用激光、光電技術博覽會暨光學技術大會將于2013年5月13-16日同時在慕尼黑展覽中心開辦——本屆展會將著重推出該領域的發展和未來趨勢。

        到目前為止，業界有個不容置疑的規則：工件越復雜，量越小，價格就越貴。但是，激光快速成型技術即將讓這種規則消失：“免費復雜工藝”或“免費個性化”是最近的流行詞。這是因為，現在一個工件的生產成本只取決于所使用的材料。*的激光系統可以直接使用CAD數據生產，傳統模具和壓模都已經不再必要，而被激光所取代。該技術省下了生產模具和壓模的成本和時間——同時也為設計工程師開創了新的未來。它的將來遠不會止步于生產，而將對整個光電產業鏈帶來全新的改變。
        Fraunhofer激光技術研究所（ILT）的Wilhelm Meiners博士解釋說：“直接成型的生產方式使得我們幾乎可以生產任何難度的東西，包括那些具有內部結構的工件。這讓我們可以隨心所欲的設計，而不必考慮傳統生產工藝的限制。”在應用研討會上，這位ILT的主席和寶馬集團的Maximilian Meixlsperger一起就相關問題做了演講。該研討會是國際光學技術大會的一部分，在展覽中心附近的慕尼黑國際會議中心（ICM）舉行，并與迎來40周年慶典的LASER World of PHOTONICS 2013一起帶來行業進展。

使用系列生產材料分層生產工件
        所有的快速成型工藝都有一個共同點，即工件包含多層材料，每層僅有幾微米厚。該技術使用在傳統立體光刻工藝中使用光照固化的塑料，然后采用激光一次性固化一層。激光燒結技術將塑料、陶瓷或金屬粉“烘烤”到一起。但其中的變化是選擇性激光燒熔（SLM）技術的出現。它可以將金屬、陶瓷或塑料粉分層融化到工件上。激光金屬燒熔沉積的方法可以用于修補。ILT專家Meiners解釋說：“與其他生成性工藝比較，SLM的主要優勢在于其所使用的金屬材料如典型的鑄造合金AlSi10Mg，或者重要的植入材料如TiAl6V4。”通過燒熔，工件的純度幾乎可以達到，從而和原件具有相同的強度——這就比通過“烘烤”將材料粉燒結的方法要好。據Meiners介紹，“這樣，SLM組件的機械性能能達到所使用的材料的極限。”

降低成本或個性化：醫療技術發展
        該技術的應用領域是牙科，越來越多的牙醫開始使用SLM來生產金屬牙冠和牙橋，這樣可以將生產成本降低一半還多。通過該技術，牙醫需要手工完成的就只剩下貼面。由于亞冠和牙橋的生產能夠全自動完成，且基本上可以隔天完成，這就給德國在低收入國家市場的競爭力帶來了相當強的促進作用。如果未來可以直接掃描病患口腔中的牙齒，那么就不再需要咬牙模，從而節省更多時間。生成性工藝也給醫療工程帶來了新進展，讓個性化植入和鉆孔模板更加簡單，并能根據每位病患的骨頭進行調整。

大量節省時間和材料
        這類工藝往往能夠給很多工業應用帶來諸多優勢。其中的例子就是它能夠在發動機整體葉盤（BLISK）的生產過程中節省材料、成本和時間。BLISK葉盤不是單個的葉片，而是整體生產后固定到轂上。使用傳統技術雕刻出這種葉片會消耗大量時間和材料，并造成非常大的浪費。Fraunhofer ILT研究所已經使用激光沉積焊接技術生產發動機整體葉盤，將生產時間縮短到2/3，同時材料消耗降低60%。

航空及汽車業受益匪淺
        航空和汽車行業將尤其受益于這種技術帶來的幾乎無限制的幾何構造自由度，同時也能提高產品的環保性。在設計中，它們可以窮盡所有的幾何可能性來降低重量。在一些飛機部件的生產中，甚至可以節省60%的成本。在汽車行業，該技術通過拓撲優化讓輪轂軸承的重量降低40%。快速成型技術帶來的小批量生產成本下降也給這兩個行業帶來了不小的好處。例如在汽車行業中，顧客都在尋求更大程度的個性化。使用該技術，生產商就可以低成本地給他們提供一些小批量的個性化可選件。

替換件訂單生產，無需倉儲
        最后，激光技術還給維修工藝帶來了全新前景。如上面所說的發動機整體葉盤維修就可以使用激光沉積焊接技術以較低成本進行。其他很多情況下，維修備件倉儲也因此變得沒有必要。理想狀態下，修理店可以使用CAD模型馬上生產出所需的替換件。倉儲和備件物流也成為多余。為了促進激光成型技術的使用，人們對它進行了多項改進。一方面，正如慕尼黑大學機床和工業管理研究所Harald Krauss所說，系統現在做得更大，我們可以生產超出500毫米的大部件。另一方面，在其他方向，也出現了越來越多的應用可能性。人們已經在實驗室通過選擇性激光微熔技術生產出小于30微米的結構，漢諾威激光研究中心的Matthias Gieseke說。這樣，我們就可以為病患生產出定制的微小部件。同時，研究者還在努力尋找更廉價的激光源，降低成本，提高效率。

未來，顧客可以設計產品
        將來新的業務模式將成為可能：終端用戶將能夠自己設計產品并把CAD數據發到生產服務商那里幫他生產出來。這種服務已經在手機外殼的生產上成為可能。這樣的應用需要我們開發出普通人也能輕松使用的CAD程序。一方面，它應該能夠給顧客提供的自由度，但另一方面，也應該有所限制，保證設計產品的穩定性，同時也不能侵犯其他公司的商標權。