雷射金屬沉積技術

雷射金屬沉積（Laser Metal Deposition，LMD）是直接能量沉積（Direct Energy Deposition，DED）技術的其中一個分支技術，也是金屬3D列印技術中最新的一種技術之一，而 W-LMD 是一種以焊線為原材料的技術。讓我們回到金屬3D列印的最初發展歷程。

 

在1990年代首次出現了金屬列印的測試和設備（DMLS），在製程熔化具有不同熱性質的各種合金粉末 - 但打印出的零件機械性質與“真實”金屬的性質並不吻合。

 

首次以高品質金屬製成的3D列印產品出現在本世紀初。當時，黏著劑噴設系統 Binder Jetting 和直接能量沉積（DED）等技術誕生了 - 在第一階段，金屬粉末的燒結，再來採用焊線的方法 - 稱為雷射金屬沉積。

 

 

技術的起源

至於 W-LMD 及其雷射焊接加工方法本身的根源，我們必須追溯到金屬3D列印技術發展推出以前。該技術的發展必須追溯到雷射焊接的方法 - LBW（激光束焊接），該製程技術是由美國國家發明家名人堂的成員之一 Marshall Jones 開發，他從上世紀70年代初開始研究該技術。

 

 

他是首位研究並發明主要是用於切割的光纖雷射技術，後來演變成用於焊接和各種角度的 “鑽孔”。這是雷射新技術的基礎。但此技術當時受到高投資成本和能源支出的嚴重限制。

 

此技術的下一個階段演變，是光束分裂的方法，允許同時加熱兩種材料（表面） - 這奠定了焊接技術和後期發展的雷射金屬線材沉積技術的基礎。

 

 

進一步發展 - 積層製造

大家很快就注意到，這種直接干預表面的製程方法要比家喻戶曉的 MIG 或 TIG 焊接方法快得多。此外，由於雷射的反射特性，熔融能量能夠深入材料，確保了更好的結合。

 

雷射焊接（LBW）方法在需要強大且快速結合零件的應用變得非常流行。使用者意識到雷射熔點要小得多，這使得該技術可以在最小變形量的狀況下雷射結合薄件的表面（遠低於電弧焊的方法）。

 

 

整合 - 雷射焊接 LBW 發展的唯一路徑

即使這種焊接方法有著最大優勢，但也帶給想充分利用此技術的人噩夢。人們意識到，即使是最好的焊接操作員也無法達到最高精度焊接的需求。唯一的可能發展途徑是使用穩定的機器手臂進行焊接。

 

只有這種方法形式才能確保其特性。但因為高投資成本和難以尋找適當培訓的操作員，這又導致大家對於投資此技術的意願與速度再次降低。

 

過去十年機器人技術相關的發展，使得大家的接受度和採用度大幅提升，促使公司重新正視雷射焊接的技術，也意識到這兩個系統的整合是必要且最有效的方法。

 

 

雷射金屬線材沉積 - 多頭雷射沉積噴頭的革命時代

在前幾年，經過幾間西班牙和美國公司的投資參與，Meltio 公司正式成立了。公司在2019年研發了一種以雷射焊接（LBW）特性為基礎的獨特3D列印建造方法。

 

萃取此技術的的所有最佳特點，Meltio 開發了一種特殊的沉積噴頭系統，能夠從每一側影響焊線和熔點位置，實現移動方向的自由變換，而不影響零件結合的品質和強度。

 

環繞著熔池的多個雷射源可保持在沉積過程中的穩定性，無論我們打印的方向為何。同軸雷射頭帶有多個雷射光源和加上位於噴頭中心的焊線源等以上的特點使得在列印過程不管任何打印方向上都可穩定運行。

 

 

Meltio 設備裝配了3個或以上的多軸控制位置的系統（例如整合機器手臂的5軸系統），並且另外控制了前一層與下一層之間的固定間距。以這種解決方案，我們可以更精確地控制Z軸的打印品質，以及達到各個軸的準確度和穩定性。

 

固定的沉積間距對於沉積的金屬密度會產生正向的直接影響，確保每一層和整個物件的一致性，比其它金屬打印方法更耐用。

 

 

人人觸手可及的優秀解決方案

另一個尚未提到的優勢是整合系統的自由性。這是W-LMD發展的關鍵元素之一，使我們能夠做出以下選擇：

1. 是否希望我們的3D列印設備是一台獨立的3D列印機，或者要與 CNC 加工機整合 - 在積層增材和減法製造的技術中相互充分發揮彼此優勢；

2. 或者應該是以機械手臂整合成一的系統，它能夠更自由地打印幾何結構復雜的零件，同時還可提供外部塗層的全新可能性。