KSB | 用激光熔化法快速原型制造

泵管家2022-08-22 13:15:26


文 |  MM现代制造


打印在很多行业掀起了加工技术革命。几年来,凯士比(KSB)泵生产商在发掘这项技术的潜力中积累了丰富经验,激光熔化法被看作是对这次革命的一个补充。


几年以来,坐落在德国Pfaelzisch Frankentahl的泵制造商公司一直在从事3D打印的研究。KSB公司在2014年年底配置了两台激光熔化设备,通过CAD数据模型用激光直接打印出所需要的金属零件。按照该企业的说法,截至目前为止,测试阶段已经取得了成功:首个叶轮原型制造已经列入到具体的开发项目之中。3D打印技术有很多优点,例如几何图形的自由化设计以及在任何地点和时间的产品可用性,由此在加工和物流研发中产生一个全新的思路。激光熔艺不会由于铸造或的切屑而引发能源和环保问题。该工艺显示了高效和充分利用材料的优势,一件产品的制造只需将材料加和利用,无需昂贵的预加工工艺,如材料成型制造、黏结、焊接、或者钻孔等工序。3D打印只需CAD数据就可以在最短的时间内生产出产品。


从数据模型到产品加工


KSB实验室和材料技术团队领导 Boehm博士负责这项研究工作。两台设备的激光功率最大均为400 W。


KSB大型设备规格约为250 mm× 250 mm,工作时其生产空间内充满了惰性气体(氩气或氮气),由此保证了生产出的零件机械性能完全符合其原材料性能。氧化敏感材料在重熔过程中得到保护。选区激光熔化工艺所使用的材料一般采用不含黏合剂的标准材料。

3D打印机本身移动绝对无噪声,并始终对准相同的模型:一个运动着的金属臂通过其宽橡胶唇边板将微米尺寸的金属粉末组成的极薄层涂敷到一个金属板上,涂层的成分与最终产品一致。紧接着一股看不见的激光束以闪电般的速度辐射到模型表面上,短促的熔化火光闪动显示出激光的位置。就这样逐层堆积便形成了一个金属体,其打印数据首先直接从激光设备的CAD系统中读出。


这种激光熔化新工艺具有很多优点,它取代了传统的工艺,如铸造和锻造以及模具的铸模或锻模。


除此之外,3D打印技术解决了传统铸造或者切削中的加工问题:内部形状复杂的零件、花纹图形的零件、侧凹或者极薄的通道零件,都可以通过3D打印机快速和经济地加工单件。除此之外,设计人员可以充分发挥最大的设计自由度。


两台激光熔化设备中的一台正在KSB材料实验室内工作


这种方法使内部具有几何图形的零件、空心以及开口、多细孔的结构零件的加工成为可能,由此可以加工轻型零件。打印过程中可能需要的支撑结构直接在加工工艺中形成,之后再被去除掉。设计的自由化几乎完全没有极限,可在零件设计中增加其功能(公众号:泵管家)。




KSB看好加工的巨大潜力

KSB公司对于3D打印技术中蕴藏的潜力寄予厚望。据Alexander Boehm博士计算的结果,如果对现有的零件重新进行计算,新设计和采用适合的工艺,其材料可节省50%~70%,这主要源于采用3D打印技术不会产生出废料,其剩余的粉末可重新再利用。当然还包括非常昂贵的工序,如在切削和铸造中的金属加工,成型制造或者浇注,大大节省了产品制造中的能源消耗,与传统的加工相比,能源效率显著提高。


当然,在采用这种工艺进行常规的生产流程之前,必须要对所生产出的零件性能进行认真的研究。比如在前期搜集材料数据,用3D打印生产零件具体应用之前,必须要保证其性能符合标准。当然,要获得所必要的生产许可和认证。众所周知,金属体的层式结构不等同于铸件材料的金属状态。其中的一个效应归功于激光束的高能源密度。秒速快的加热和紧接着的快速冷却产生的热的应激,有增加材料强度的趋势。为此,为了达到标准并形成相应的规程文件,目前还需要对通用泵金属的机械、物理和化学性能进行积极地研究。



激光熔化工艺的局限性

目前为止,激光熔化还不是解决所有加工问题的万能钥匙,至少具有局限性。现今的工艺和经济性局限于可实现的零件规格和加工速度,世界最大的激光熔化设备的生产范围仅为800 mm×500 mm。所以大型零件的加工受到了限制。更大尺寸的设计和大型零件的加工是否经济,是否有意义还有待于研究。如果所加工的零件是实心体结构,采用极薄的层堆积的生产原理将非常耗时,如果所需要的零件不易接近或者是为开发原型制造,采用3D打印还算值得。在医疗技术领域,如生产牙的替代品:在一个工作步骤内经济和精准地生产很多个性化的齿桥或者齿冠。3D工艺的应用范围很大,部分取决于零件自身。


3D打印与传统的浇注技术或者切削技术之间不存在竞争。对于泵生产商更多的是,新型生产的工艺采用的是实现“工业4.0”的重要一步和发掘加工与开发过程中的潜力。


从长远来看,3D打印技术不能实现对大批量的大型零件经济加工。但是,换言之,如果在一个加工步骤内大批量地加工小型或者不同个性化的零件,采用这种工艺还是很有吸引力的。3D打印是对技术革命的一种补充。



零件可使用性的变化


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