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新一代創(chuàng)新制造技術(shù):劍橋大學(xué)開發(fā)激光輔助冷噴涂技術(shù),解決重大成本挑戰(zhàn)

3D打印動態(tài)
2025
07/06
20:20
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本帖最后由 warrior熊 于 2025-7-6 20:21 編輯

2025年7月6日,南極熊獲悉,來自劍橋大學(xué)制造業(yè)研究所 (IfM)工業(yè)光子學(xué)中心(CIP)的研究人員開發(fā)了一種名為激光輔助冷噴涂(LACS)的新型增材制造技術(shù)。LACS工藝將局部激光加熱與超音速粉末流相結(jié)合,以沉積金屬和金屬陶瓷,用于制造、涂層或修復(fù)零件,克服了熱噴涂等同類技術(shù)中存在的高溫和材料限制。

研究團(tuán)隊(duì)已證明LACS在航空航天應(yīng)用中的有效性,其中高精度和局部材料沉積至關(guān)重要。這項(xiàng)技術(shù)能夠按需制造高質(zhì)量的涂層和部件維修,從而延長飛機(jī)的使用壽命。此外,與傳統(tǒng)方法相比,LACS還能減少材料浪費(fèi)和能源消耗,從而支持空天行業(yè)向凈零排放轉(zhuǎn)型。


激光輔助冷噴涂工藝的應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的制造技術(shù)通常涉及使用減材方法從實(shí)體塊中去除多余的材料,以達(dá)到所需的形狀。相比之下,增材制造則采用逐層構(gòu)建結(jié)構(gòu)的方式,通常稱為 3D 打印。LACS 工藝可以從零開始創(chuàng)建零件,或在現(xiàn)有組件上添加涂層和特性,這在高性能涂層、關(guān)鍵組件維修以及航空航天、加工、能源和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)的增材制造中尤為有用。

這種創(chuàng)新的制造方法相比傳統(tǒng)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢,包括能夠快速生產(chǎn)定制的復(fù)雜零件,并最大程度地減少材料浪費(fèi)。它能夠整合多種材料以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的性能,從而能夠根據(jù)特定應(yīng)用定制組件。此外,它無需昂貴的模具或大量的機(jī)械加工,這對于需要小批量、高精度零件的行業(yè)尤為重要。通過采用這種方法,制造商可以實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計靈活性、生產(chǎn)效率和精度。

截至 2023 年,英國占據(jù)全球增材制造市場約 7.6% 的份額,而基于增材熔覆體系的份額則更小。全球增材制造市場預(yù)計將大幅增長,到2030年將達(dá)到700億美元至880億美元。取決于各種市場分析。這一預(yù)期增長凸顯了這一快速發(fā)展的行業(yè)中蘊(yùn)藏的巨大創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。

技術(shù)原理

制造業(yè)研究所 (IfM) 的工業(yè)光子學(xué)中心 (CIP) 在比爾奧尼爾教授、激光工程師和制造專家團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)下,率先采用冷噴涂和粉末床熔融技術(shù)開發(fā)先進(jìn)的增材制造方法。

比爾說道:“冷噴涂是一種快速熔化粉末金屬、金屬陶瓷(陶瓷和金屬的復(fù)合材料)或聚合物而不熔化它們的技術(shù),可用于制造、涂層或修復(fù)零件。我第一次接觸冷噴涂是在利物浦大學(xué)工作期間,并在那里建立了我的第一家專門從事冷噴涂的工廠。起初,我們專注于使用氮?dú)庾鳛榉勰┑妮d氣。當(dāng)處理航空航天領(lǐng)域常用的高強(qiáng)度材料(例如鈦合金和鋁合金)時,我們發(fā)現(xiàn)氦氣對于實(shí)現(xiàn)最佳沉積至關(guān)重要。這是因?yàn)楹獾姆肿恿枯^低,能夠提高冷噴涂中的粒子速度,從而增強(qiáng)沖擊能量并改善與基材的附著力!

但是氦氣成本高昂,每分鐘運(yùn)行成本約為80英鎊,因此氦氣的需求構(gòu)成了一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。即使是最先進(jìn)的回收技術(shù),也只能回收約85%的氦氣。此外,回收所需的設(shè)備極大地限制了可制造部件的尺寸,因?yàn)樗鼈儽仨氀b入一個專為收集過量氦氣而設(shè)計的尺寸有限的腔室中。

LACS 設(shè)備設(shè)置用于添加涂層以修復(fù)飛機(jī)機(jī)翼面板

CIP實(shí)驗(yàn)室高級研究員安德魯·科克伯恩博士說:“想象一下,嘗試將涂層涂在飛機(jī)覆層的一部分上。在氦氣回收系統(tǒng)的限制下做到這一點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí)的。我們需要為這些高強(qiáng)度材料找到更實(shí)用的解決方案,于是我們開始研究使用激光!

為了消除氦氣造成的障礙,比爾團(tuán)隊(duì)發(fā)明了這種被稱為“激光輔助冷噴涂(LACS)”的工藝。LACS通過增加激光對沉積位置進(jìn)行局部加熱(降低基材屈服應(yīng)力),從而更高效地沉積固態(tài)材料粉末,從而使材料之間無需熔化即可形成更牢固的結(jié)合。

LACS 工藝示意圖,顯示激光束加熱粉末沉積區(qū)。

除了通過去除氦氣來降低成本外,LACS 還比其他冷噴涂方法具有一些顯著的優(yōu)勢:
(1)   增強(qiáng)附著力和沉積效率。局部激光預(yù)熱可軟化基材,從而改善顆粒結(jié)合力和沉積效率。這使得涂層比傳統(tǒng)冷噴涂和其他熱噴涂工藝更堅固,尤其適用于鈦和難熔金屬等高強(qiáng)度材料。
(2)   沉積發(fā)生在較低的粒子速度下,這意味著粉末的結(jié)構(gòu)能夠保留在涂層/部件中。這對于具有特殊特性且易受損的材料(例如納米結(jié)構(gòu)涂層和稀土磁體)而言,是一個顯著的優(yōu)勢。
(3)   提升材料兼容性。LACS 能夠沉積更硬、更具挑戰(zhàn)性的材料,而這些材料在標(biāo)準(zhǔn)冷噴涂中通常附著力較差。這些材料包括金屬陶瓷、難熔金屬和抗氧化合金。
(4)   降低殘余應(yīng)力和孔隙率。激光的熱輸入可降低涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力,從而改善機(jī)械性能。它還能最大程度地降低孔隙率,增強(qiáng)沉積層的結(jié)構(gòu)完整性和耐久性。
(5)   對基材的熱影響極小。與傳統(tǒng)的熱噴涂方法不同,LACS 可使基材保持在熔點(diǎn)以下,避免相變或變形。這使其成為熱敏材料以及對基材性能至關(guān)重要的應(yīng)用的理想選擇。
(6)   速度很快——每小時最多可添加 10 公斤涂料。
(7)   降低整個工藝的溫度。激光輔助工藝可在較低的氣體溫度下運(yùn)行,例如400-700 ℃,而冷噴涂則需要高達(dá) 1200 ℃,從而降低了功耗并簡化了系統(tǒng)設(shè)計。
(8)   通過定制粉末對涂層性能進(jìn)行精細(xì)調(diào)整,可以將磁性、固態(tài)潤滑和增強(qiáng)的耐磨性等特殊特性引入到鍍層中。分級成分可以局部控制性能,并降低異種材料界面處的應(yīng)力。

比爾教授解釋道:“開發(fā)具有先進(jìn)加工能力的新一代創(chuàng)新制造技術(shù)可以極大地幫助實(shí)現(xiàn)凈零排放。定制材料屬性的能力是真正的游戲規(guī)則改變者,具有廣泛的潛在應(yīng)用范圍;例如,生產(chǎn)電動汽車和航空航天的輕型部件、創(chuàng)建儲氫系統(tǒng)、加強(qiáng)風(fēng)力渦輪機(jī)的維護(hù)、制造節(jié)能電池和燃料電池組件,以及開發(fā)用于工業(yè)節(jié)能的先進(jìn)熱交換器和用于碳捕獲的催化劑涂層!

LACS 的實(shí)際應(yīng)用 — 航空航天

LACS 的一個特殊優(yōu)勢是它能夠制造和維修定制零件,這一能力對航空航天極為有用。航空航天需要制造通常較為復(fù)雜的高精度、高強(qiáng)度和相對小批量的零件。使用傳統(tǒng)制造技術(shù),最具成本效益的解決方案是一次性制造特定型號所需的所有零件,并將它們存儲在倉庫中,直到需要時再使用。這帶來了兩個主要問題:存儲占用大量空間且成本高昂;而且,一旦零件用過,就沒有剩余的零件可供維修。結(jié)果,飛機(jī)可能會變得無法使用,因?yàn)闆]有替換零件來修理它們 — — 協(xié)和式飛機(jī) G-BBDG 就是一個引人注目的例子,該型號最終于 2003 年退役。

LACS 提供了一種可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)高效的維修方案,在更極端的情況下,甚至可以從基礎(chǔ)部件進(jìn)行再制造。傳統(tǒng)的維修技術(shù)(例如焊接)不適用于高性能應(yīng)用,例如 6000 系列鋁材。將新舊材料粘合在一起所需的加熱會影響維修部件的強(qiáng)度和可靠性。

LACS 加工過程

比爾和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明,LACS 采用相對低溫的局部激光加熱技術(shù),可以添加新材料,且不會產(chǎn)生任何副作用。此外,與 3D 打印一樣,LACS 設(shè)備可以通過編程,根據(jù)計算機(jī)模型進(jìn)行特定設(shè)計構(gòu)建,從而將復(fù)雜的數(shù)字設(shè)計快速轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。

Martin Sparkes 博士表示:“這對許多行業(yè)來說具有變革意義,它允許在短時間內(nèi)按需制造和維修定制部件,具有低成本、低能耗和高效利用材料的優(yōu)勢!盋IP實(shí)驗(yàn)室首席研究員!拔覀兒芨吲d能與行業(yè)合作伙伴攜手,共同發(fā)揮這項(xiàng)獨(dú)特且影響深遠(yuǎn)的技術(shù)的潛力!

巨大的應(yīng)用潛力

CIP 實(shí)驗(yàn)室的下一步是增強(qiáng) LACS的“3D 打印”能力。團(tuán)隊(duì)正在探索多種途徑來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),包括將部件安裝在移動臂上,使其能夠在 3D 空間中移動,以及增強(qiáng)對粉末流方向的控制,以產(chǎn)生清晰、光滑的邊緣。

最后,比爾教授說道:“目前,我們幾乎無法控制粉末的沉積形狀。這對于涂層來說并非問題,但對于零件制造應(yīng)用而言卻是一個重大制約因素。我們的下一個目標(biāo)是找到突破這一限制的解決方案,并且已經(jīng)取得了一些非常有希望的成果。LACS 的潛在應(yīng)用是無限的,我們致力于通過更高效、低浪費(fèi)的制造技術(shù)以及它為可持續(xù)產(chǎn)品開發(fā)打開的大門,提供一種能夠顯著幫助實(shí)現(xiàn)凈零轉(zhuǎn)型的技術(shù)。”


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