2D激光传感器在3D打印修补技术中的应用-2D/3D

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发布日期：2017-07-14 浏览： 次

有调查显示，机械加工行业中每年模具的消耗量价值是各种机床总价值的五倍，数量惊人。模具的大量消耗的影响，不单单是加重了生产成本，还有因为频繁更换模具导致的生产效率低下所带来的经济损失。

因此，业内人士都在思考，能否开发出一种新技术：模具受损时，可以直接修复损坏区域，从而避免模具的不必要的浪费。

借助3D打印技术就能做到。
修复损坏的模具镶件是增材制造（3D打印）增长很快的一个领域，特别选择性激光熔融技术，通过只针对受损区域的快速修复而不是更换损坏的工具，从而简化维修，减少停机时间，延长使用寿命，降低成本。

传统的修复过程需要多个步骤，并且很耗时。例如焊接，先是切割掉破损或磨损的区域，固定一个新的钢块，进行焊接。额外的步骤，例如加工、抛光、测试等，并且这样的修复还带来耐久性的问题，贵、耗时、不耐用。

3D打印修复模具实例
Ecoparts 和 Innomia两家公司通过增材制造的方法为模具镶件的修复开辟了一条捷径，Innomia利用逆向工程提供塑料和金属部件的设计和开发、三维扫描和增材制造。Ecoparts是EOS的服务提供商，提供原型制造服务，以及对模具和工程机械行业提供随冷模具制造服务。

Innomia最初进入到增材制造领域缘于涉足汽车金属零件的快速成形金属增材制造，但后来注塑模具包括快速模具和随形冷却的需求越来越多。Innomia又进入了模具领域，现在，模具快速维修的需求又成为另一个增长很快的领域。

通过三维扫描和逆向工程。这使得该公司可以修复损坏的模具，有没有现成的该模具的三维数据或图纸都不成为限制因素了。他们通过扫描镶件的几何形状，重新设计了完整的三维模型。然后，切断或研磨损坏的区域，因为增材制造需要一个平面，最后，开始重建过程。

3D打印修复件优良的机械性能
根据受损区精确的三维几何模型来建立的零件修复三维模型，激光束路径由计算机控制的CAD文件来精确控制，这就避免了人为的错误。而且还确保了均匀的微观结构，且修复插入区域无可见焊缝。后期处理包括铣削或抛光等过程，恢复了镶件的功能性。

粉末床激光融化技术带来很好的修复件的机械性能，例如，MS11.2709马氏体钢硬度达54 HRC。(热处理可用于34和54之间的HRC硬度)此外，根据烧结表面及焊接材料的要求，还可以结合不同的工具钢材料。在一个密闭的惰性氮气环境下，优良的金属结构形成了，该方法已经被证明可以延长模具的使用寿命。

3D打印修复的局限性
Ecoparts和Innomia确实看到一些粉末床激光融化技术的局限性，包括增材制造设备构建尺寸的限制，不能用于大零件的修复。他们所使用的设备其构建表面粗糙度约10Ra，这样的零件就需要常规后期加工。


随着激光3D打印技术不断发展，日臻成熟，其打印过程中热输入小、成形精度高、加工余量小的技术优势在解决零件加工及服役期间的损伤修复方面发挥着越来越重要的作用。

损伤零件的修复包括几何性能（几何形状、尺寸精度）和力学性能（强度、塑性）恢复，传统工艺修复工序复杂、效率低、可靠性不高。同时，还可能面临修复后可能会出现零件与基体结合差、易开裂、表面粗糙并产生的较大变形和应力等问题，加之零件需要修复的区域多为不规则形状，因此传统工艺只能针对少数磨损不严重的零部件进行修复，磨损相对严重的就只能进行报废处理。

3D打印修复原理
激光成形修复技术（LSF）成形原理是：以损伤零件为基体，采用激光立体成形技术，对待修复区域逐层堆积粉末，在不破坏零件本体性能的前提下，对损伤零件进行性能修复与再制造，恢复零件的几何性能和力学性能，使零件再次达到使用要求。

工艺优势
激光成形修复技术（LSF）是以“离散+堆积”为成形思想，在修复过程中会通过同步送粉的方式，逐层逐点对零部件进行熔覆修复，并具备以下优点：
1、3D打印修复设备一般采用300W-2000W大功率光纤激光器为加热源，加热源密度高，热输入能够得到严格控制。
2、设备打印修复时，成形仓中气氛会控制在较低的氧含量下进行打印（氧含量：50ppm以下），避免加工过程中二次污染。
3、3D打印修复区组织细小、致密，能够与基体形成致密的冶金结合。
4、激光修复后，只需要经少量的补充加工，即可使零件达到使用要求。
5、修复后，零部件力学性能达到新品的80%以上，实现零部件高效率、低成本的再生制造。
6、快速打印完美修复，节约成本 绿色环保


应用领域
激光成形修复技术（LSF）可实现成本昂贵、结构复杂的零部件在长期服役或生产过程出现的磨损或加工缺陷进行修复与再制造。主要应用于航空、航天、煤炭、石油石化、化工、电力、模具等领域。

激光成形修复技术（LSF）快速修复让零件缺损的部分完好如初，既节约了制造成本又缩短了维修周期，让零部件重返战场，再不因受点“伤”就被抛弃。

LSF技术中一个核心问题是在待修复区域进行逐层粉末堆积时，系统能够实时检测堆积的材料厚度和宽度是否合适，以便在下次堆积时进行调整。采用德国米铱公司2D激光传感器scanCONTROL系列，可以实现对待修复区域的3D形貌扫描和重建。扫描线性度可达满量程的0.1%, 分辨率可达1µm。

激光位移传感器



2D激光扫描传感器

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