在过去几十年中，有两种基于激光的方法在增材制造领域占据了主导地位——第一种方法，是利用激光在粉末床的二维轮廓上构建一个更大的三维结构；第二种方法是将材料沉积在表面上，然后用激光熔化，形成新的表面。与其他激光加工工艺相似，在精度和加工速度之间取得平衡至关重要。

 专为超高速激光材料沉积（EHLA）技术而改装的计算机数控机床可在横向上执行高度动态和精确的工具运动。该设备配有旋转和倾斜工作台，适用于快速成型制造和自由形状表面涂层。（Fraunhofer ILT供图）

事实证明，这种参数之间的折衷是区分工艺的有效标尺。

上世纪 90 年代，弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT，简称 ILT）的开发人员获得了该创新的基本专利，并将第一种方法命名为激光粉末床熔融（LPBF）。从那时起，业界人士就为这一工艺创造了许多不同的名称，这些名称通常指各种高度相似的方法。这些方法包括选择性激光熔化（SLM，尼康 SLM 解决方案）、直接金属激光烧结（EOS）、激光熔化（Concept Laser）和激光金属熔融（TRUMPF和Sisma 3D）。但万变不离其宗，这些变体仍然属于直接金属打印以及金属LPBF的范畴。

第一种方法LPBF的基本程序相对简单：激光束击中均匀粉末床中的一个点，并在沿着轮廓移动的同时将其熔化。接下来，添加新的粉末层，激光再次启动，如此往复……随着时间的推移，激光会在二维轮廓的基础上形成三维形状。三维造型完成后，多余的粉末会被清除。再进行后处理，去除支撑结构或获得完美的表面。

第二种方法是定向能沉积（DED）或激光金属沉积（LMD），有时也称为激光熔覆。在这一工艺中，激光在工件表面形成熔池，粉末状或线状填充材料不断进入熔池并熔化。激光同时熔化基体和填充材料，从而在涂层和载体部件之间形成熔融冶金结合。选择这种方法通常是为了提高表面的机械性能或硬化表面以防止腐蚀。

这两种方法各有优缺点。如图1所示，LMD擅长在精度有限的情况下提高堆积速度，而LPBF则能获得更好的结构分辨率，但通常速度较慢。LPBF是生产小批量复杂零件的标准工艺，而LMD则有助于经济地修复磨损的表面，如涡轮机部件的磨损表面。

图1.在增材制造（又称3D打印）中，总是需要在堆积时间和结构分辨率之间进行权衡。这在激光粉末床熔融（LPBF）与激光金属沉积（LMD）之间，以及在考虑极高速激光材料沉积（EHLA）时都很明显。（Fraunhofer ILT供图）

高速激光材料沉积

几年前，弗劳恩霍夫ILT 和亚琛莱茵-西法莱茵技术学院 (RWTH) 的德国研究人员开发出一种工艺，用于取代有毒铬硬镀和热喷涂等工艺。这一进展是在2017年欧洲法规禁止包括硬镀铬在内的有害技术之后取得的。新开发的工艺能够在旋转对称部件上快速镀上金属合金，以提高耐腐蚀性和耐磨性。

这种工艺被称为 “超高速激光材料沉积”（EHLA，德语），其主要目的是使用喷嘴在工件表面沉积金属粉末，并在粉末到达工件表面之前用激光束将其熔化。这种机制与传统的LMD有很大不同，后者是在工件上的熔池中熔化填充材料。

EHLA的加工速度介于20~500m/分钟之间，镀膜速度大于5m²/小时。它还解决了涂层厚度的问题。使用传统的热喷涂技术，涂层厚度通常要求在500 ~1000µm之间。而EHLA工艺可使涂层厚度小至25~250µm。

此外，各层都是无孔的，并能牢固地粘合在基底上。EHLA工艺使用约90%的粉末材料进行涂层沉积。这使得该工艺的效率大大提高。此外，由于焊接熔池小、涂层薄、最小热影响区约为10 µm，因此用户可以加工难以焊接的材料和材料组合，例如铁（Fe）、镍（Ni）、钴和铜的合金，以及金属玻璃和高熵合金。

如今，EHLA已成为各种工业应用的既定方法。其中包括为汽车行业制造制动盘、活塞和汽缸以及汽车轴承。目前，主要的制造商都在销售应用这种工艺的机器，这些机器目前已在欧洲、美洲和亚洲的多个国家投入生产。

喷嘴和光学器件

粉末和激光功率的同轴供应对任何LMD加工的质量都至关重要。对于像 EHLA这样的快速工艺来说尤其如此。因此，弗劳恩霍夫ILT团队开发了一系列定制喷嘴和光学器件。

在粉末喷嘴方面，团队解决了两个难题：首先，粉末气体喷射应该是可调节的，以优化粉末向激光束的喷射过程。其次，粉末气体射流应该密集，以最大限度地提高粉末效率。

为了满足对喷嘴组件的要求，研究人员开发了一种粉末气体喷射管，以实现均匀的粉末分布。结合保护气流，他们使粉末气流适应了激光束焦散，同时优化了粉末聚焦。通过对粉末流动表面进行表面处理，研究人员大大延长了工艺的使用寿命。此外，针对难以进入的区域，他们还开发了一种横向粉末喷嘴，将粉末射流横向导入激光束。

在常规设置中，激光束位于喷嘴结构的中心，粉末气体喷射呈锥形进入喷嘴，以确保加工方向不受影响。由于送入的金属丝不可能是锥形的，因此金属丝必须位于中心，而激光束本身也必须是锥形的，以避免加工过程中的双向依赖。

这一原理提出了一个问题： 如何在不中断激光束的情况下将金属丝送入激光焦点？

弗劳恩霍夫ILT的科学家们利用特殊的光束整形光学技术克服了这一瓶颈。首先，激光束被转换成环形，然后被分成两个半圆；这两个半圆被聚焦到工件上，并在最终的激光焦点上重新组合（图2）。其他基于线材的加工光学镜组也采用了类似的方法，即在线材周围同轴布置多束离散激光。

图2.定制光学器件在中心线上形成同轴的圆形焦点。该解决方案旨在避免激光束中断和/或扭曲，同时又不妨碍极高速激光材料沉积（EHLA）操作。（Fraunhofer ILT供图）

EHLA为旋转对称部件提供了一种动态解决方案。但是，工程师总是倾向于预测发展趋势，因此弗劳恩霍夫ILT开始关注运动学。

自 2019 年以来，弗劳恩霍夫ILT一直在同时研究两种系统工程方法，以便将EHLA涂层技术转移到快速成型制造和自由形态加工中。第一种是与制造解决方案公司firmponticon GmbH合作，采用三脚架运动学（vmax=200m/min）方法，使用固定加工光学元件。第二种是与工具制造商Makino Asia Pte Ltd合作，采用改进的五轴计算机数控系统（vmax=30m/min）。在第一种方法中，工件是移动的，而在第二种方法中，激光光学元件是运动的。

重要的是，3D方法保留了原始EHLA解决方案的优点：低传热和有效的粉末利用率（大于90%）。这些优势与高3D生产率相结合。在结构分辨率方面，原始LMD厚度为500~2000µm，可与LPBF厚度为30~100µm的结构定向精确堆积相媲美。EHLA 3D的厚度介于50~300µm之间，处于上述数值的中间位置。

图 3.超高速激光材料沉积（EHLA）方法已转入改进型五轴计算机数控系统中，喷嘴可在系统中移动（上图）。（Fraunhofer ILT供图）

图 4.弗劳恩霍夫激光技术研究所首创的超高速激光材料沉积（EHLA）3D工艺目前已应用于多种领域。除了五轴计算机数控系统外，该方法还被应用于带有固定喷嘴的三脚架运动中。（Fraunhofer ILT供图）

制造出的固体体积无裂纹，相对密度大于99.5%。迄今为止，已有多种材料通过验证。其中包括铁基材料（316L、M₂）、镍基材料（IN625、IN718和IN738）、铝基材料（AlSi₁₀Mg、AlSi₁₂、AlMg 等）以及Ti₆₄、CuSn₁₂Ni₂和铝青铜材料。此外，还对回收粉末进行了测试。

EHLA 3D工艺已经过验证，目前正用于各种应用中。虽然可以说铝薄壁部件的制造是其中之一，但大多数应用都在保密协议范围内。例如，航空航天技术中难磨削材料的修复就是EHLA 3D关注的一个领域。

金属3D打印技术已经从一个研究课题发展成为一个成熟的解决方案。目前有多种工艺可供选择，其结构精度和生产能力各不相同。随着技术的进步，应根据应用任务而不是某种技术的可用性来选择首选工艺。