弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术

弗劳恩霍夫激光技术研究所在今年开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度并推动金属3D打印中的应用。

电弧增材制造和激光沉积都具有典型的优缺点：激光线材沉积工艺的成本高且沉积效率低，但其热输入低、成形精度比电弧制造高，因此在航空航天工业中应用较多；相比激光沉积，电弧增材制造的成形效率高、成本低，但电弧具有方向性，难以像激光那样实现精准聚焦，因此熔化轨迹不精细、层堆积导致表面非常粗糙。

在新工艺中，研究人员使用同轴定向的环形激光束包围电弧，使其不会脱离，通过强制引导它来提高精度。研究发现，新工艺的材料沉积效率最高可提高150%，相比电弧沉积速度提高了一倍，零件表面质量也显著改善，所需要的后处理大大也减少，同时该工艺可用于制造大型零件。

研究人员开发并制造了带有玻璃基板的水冷特殊光学器件和用于高性能焊接和增材制造的水冷电弧焊枪，两种能量源叠加在一起，两种单独工艺的优势以有利的方式结合在一起。

在混合工艺中，导线末端和基板之间的电弧以锥形方式被激光束包围，就像项圈一样。这种组合背后的想法是，电弧无法突破这个约束，并被积极引导。新工艺也因这种“强制引导”而得名 COLLAR Hybrid。

Fraunhofer ILT使用新系统技术进一步开发环形光束激光和电弧金属3D打印，而亚琛工业大学焊接与连接研究所 (ISF) 正在使用它来开发与环形聚焦的方向无关的复合焊接和同轴送丝机。

然而，新的混合工艺不仅具有焊接速度更快的特点，根据初步测试，焊接速度比电弧焊快100%左右。传统工艺必须在每个拐角或曲线处转弯，这导致在规划路径时需要大量编程工作。COLLAR工艺凭借其光学器件，可以在各个方向独立焊接。研究人员还希望通过引导电弧满足厚板焊接的要求。

如果需要非常精细的结构，则可以改变能量源的比例。通过关闭电弧使用纯激光或主要是激光，可以进行精细加工；而如果需要提高加工速度，则可以主要使用电弧，从而已更快和更低能耗的方式进行材料加工。