3D打印：为批量生产做准备

德国机床制造商协会（VDW）提出新倡议——“创新制造”，向全世界各界专业人士发出邀约，请他们于2023年9月18-23日来汉诺威欧洲机床展参观。这场世界领先的生产技术贸易博览会旨在为参观者提供鼓舞人心的新想法，拓展制造创新——包括用于大批量生产的新型3D金属打印解决方案。

激光闪烁，在灰色的粉末床上形成一个闪亮的银圈。一个刷子静静地刷过这个圆圈。圆圈再度被粉末覆上。就这样，激光将一层又一层的粉末转化成为高度复杂的成型零件。然而，现在需要25个小时，才能将钛粉制成一个用于航空工业的螺帽大小的零件。

全面改进，提升打印速度

任何一位第一次体验3D金属打印过程的人，都一定会被这种技术吸引。不过，到目前为止，3D金属打印批量生产依然受到阻碍，原因不仅在于缓慢的分层速度，还在于缺乏自动化系统、数字化战略，也欠缺定制的金属粉末。

位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）早在25年前就建立了基于激光的粉末床熔融（LPBF）工艺，1996年就获得了专利，此后这项工艺不断深入发展，目前已取得相当瞩目的成就。研究人员在亚琛创建了一台原型机，通过增加激光束的数量，显著提高生产力。这套系统可以打印非常大的零件，最大尺寸为800×1000mm，厚度可达350mm。3D金属打印技术也因此出现了一些重大进步。

一段YouTube视频展示了这台正在工作中的原型机。这款龙门系统用不锈钢材打印出了一个高300mm、直径620mm的罗罗涡轮机零件。“我们的工作是‘即时的’。在激光重新熔化粉末的同时，加工头也在移动——消除了所有的非生产时间，”弗劳恩霍夫激光技术研究所工艺与系统工程组组长Tim Lantzsch解释道，“用摄像头监控流程，观察激光束和副产品之间可能的相互作用。你能看到那流程是多么的稳定、均匀。”

这款零件是2022年2月亚琛国际涡轮机械制造中心（ICTM）虚拟会议的焦点。但是，增材制造工艺不仅在飞机发动机和能源发电的固定式涡轮机械方面颇具潜力，汽车行业也在坚定地进行着3D金属打印产业化。德国联邦教育和研究部（BMBF）也认识到了这一点，所以他们在2019年启动了IDAM（增材制造工业化和数字化）项目。由总部位于慕尼黑的宝马集团牵头，来自中小企业、大公司和研究机构的专家组成了一个项目小组。这12个项目合作伙伴的共同目标是：在汽车批量生产领域彻底实施金属3D打印技术。

Idam项目是成功的，正如宝马集团新闻办公室在2022年5月报告的那样：“我们已经成功地将汽车生产过程中的增材制造工艺工业化、数字化了。”在位于上施莱斯海姆的宝马集团增材制造园区，一条用于汽车批量生产的数字化、网络化、全自动3D打印生产线已成功创建。另一条生产线在位于波恩的GKN烧结金属工程有限公司。宝马公司称：应用LPBF解决方案，每年可以低成本制造大约50000个可互换零件以及10000多个单独的备用零件。这个项目的成功秘诀就是：项目参与者改进了整个工艺链——从3D组件的开发设计、在线工艺监控和AI评估直到数字孪生技术。

BMBF联合开展的“理念——数字工程和增材制造产业化”项目，是一项来自各行业的几家公司之间基于伙伴关系的合作项目。到2022年10月底，这个联合项目的领导者——总部位于柏林的西门子能源公司以及总部位于纽伦堡附近格奥尔根斯格明德郡的中小企业Toolcraft公司，预计将建成2条自动化增材制造生产线，用于生产涡轮机和航空航天领域的金属零件。这么做旨在表明：不仅大公司，中小企业也可以通过小批量个性化产品的增材制造获得经济收益。这个跨学科项目团队汇集了涡轮机械工程、软件、自动化、飞机技术、激光和3D打印技术专家，最终成功变身为技术的推动者。

在BMBF Idea项目中，自动化提高了过程的稳定性和质量

“Idam的重点是汽车行业的批量生产，而Idea的重点是涡轮机械和航空航天行业，”弗劳恩霍夫激光技术研究所研究助理Thomas Laag解释说：“汽车生产是针对高单位数量及短周期时间而设置的，但涡轮机和航空航天领域要生产的产品单位数量较低，而且它们都是较大型零件，生产周期不像汽车工业那样短而精确。”除此之外，航空航天业的安全标准也非常高。例如，航空航天零件的制造商必须持有NADCAP（国家航空航天和国防承包商认证项目）证书——航空航天业有严格的认证架构，比如在精度上也有类似的严格标准。发电涡轮机的生产也类似。

因此，质量保证在该项目的作用相当重要。Laag说：“我们的首要任务就是工艺认证和粉末状态监测。”在此领域还应用了激光粉末床熔融（LPBF）工艺。为此，Fraunhofer ILT开发了一种脉冲激光辐射工艺控制，提高了细节分辨率，减少了形状偏差，还减少了后处理数量，并实现了新的、更有效的零件几何形状。

自动化的后处理缩短了生产时间

激光粉末床熔融等增材制造工艺的另一个问题是零件加热。它会导致残余应力和零件的几何变形。支撑结构是用来散热的，但随后必须在一个耗时的流程中被手动移除掉。因此，在3D打印零件的进一步加工中，需要大量的手工步骤来补偿零件的几何变形，此外还必须满足高端行业（比如航空航天领域）在零件规格和制造工艺方面极其复杂的要求。这些都是典型的挑战，是Toolcraft 公司日常需要面对的。这家中等规模的公司应用3D金属打印工艺进行批量生产，目前有13个增材制造系统在运行，还与知名机器制造商密切合作着。

BMBF Idea项目对格奥尔根斯格明德郡产生了什么影响？

Toolcraft公司的技术和开发项目负责人Markus Langer

“我们成功地将子流程更有效地纳入一个完整的制造链中，”Toolcraft公司的技术和开发项目负责人Markus Langer解释道。此外，将以前的人工工作步骤自动化，也提高了工艺的稳定性和质量。Idea项目还有一个关键任务，就是工作计划及工作和检查指令的数字化。结合互动培训和VR眼镜，它能帮助金属激光融合中心的专业员工们更容易在高度复杂的机器和制造流程中工作。

Toolcraft AG的首席执行官Christoph Hauck

但德国在3D金属打印方面的国际表现如何？能与其他国家竞争吗？“不幸的是，德国增材制造的产业化步伐落后于其他工业化国家，比如中国和美国，”Toolcraft AG首席执行官Christoph Hauck遗憾地说，“这些国家正在为这一进程注入大量资金，特别是在中型企业中实施这一进程。不幸的是，德国很早就失去了它在这方面的领先地位。”

Fraunhofer ILT激光粉床融合部门负责人Jasmin Saewe博士

弗劳恩霍夫激光技术研究所激光粉床融合部门负责人Jasmin Saewe博士，从参与的诸多跨国项目中获得了国际视野。她明确表示：“现在国际上许多国家都在大力投资增材制造及其产业化。至关重要的是，德国不能仅依靠我们在增材制造方面长期保持的先锋地位，还必须继续研究提高生产力，并加倍努力将该技术用于工业，以帮助工业界应对供应瓶颈等挑战。”

EMO Hannover上的增材制造技术

生成型制造工艺正在工业生产中发挥着越来越重要的作用，因此它也必将在欧洲机床展上得到体现。根据2019年参展调查数据显示：约16%的参展观众表示对此领域产品很感兴趣。而在参展商方面，许多公司也纷纷展示了用于增材制造的机器、系统、零件和材料或针对该领域的服务——比如为了体现“增材制造圈”概念，特设了一个联合展台、专家讲座以及其他更多举措。因此，观众们有望在来年展会上看到大量的新亮点。