在亞琛弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所Fraunhofer ILT的領(lǐng)導(dǎo)下，“futureAM – 新一代增材制造”是于2017年11月推出的，旨在將金屬部件的增材制造加速至少10倍。重點(diǎn)呈現(xiàn)從訂單到完成金屬3D打印組件的數(shù)字和物理增值的整體視圖，目標(biāo)是向增材制造的新一代技術(shù)邁進(jìn)。在亞琛Fraunhofer ILT的領(lǐng)導(dǎo)下，另外五個(gè)Fraunhofer研究所（IWS，IWU，IAPT，IGD和IFAM）正在參與該項(xiàng)目。 本期，一起來領(lǐng)略Fraunhofer IWS研究所在通過增材制造下一代材料方面的進(jìn)展。

提升技術(shù)極限，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的材料

Fraunhofer IWS工程師基于對(duì)材料技術(shù)以及激光加工的強(qiáng)大理解，建立了增材制造領(lǐng)域加工技術(shù)與材料的相關(guān)性。在Fraunhofer燈塔項(xiàng)目“ futureAM-下一代增材制造”的框架內(nèi)，F(xiàn)raunhofer IWS的科學(xué)家們正以很高的采樣率記錄大量傳感器數(shù)據(jù)以提升對(duì)加工過程的理解，創(chuàng)造更多更神奇的材料。

Fraunhofer IWS工程師基于對(duì)材料技術(shù)以及激光加工的強(qiáng)大理解，建立了增材制造領(lǐng)域加工技術(shù)與材料的相關(guān)性。在Fraunhofer燈塔項(xiàng)目“ futureAM-下一代增材制造”的框架內(nèi)，F(xiàn)raunhofer IWS的科學(xué)家們正以很高的采樣率記錄大量傳感器數(shù)據(jù)以提升對(duì)加工過程的理解，創(chuàng)造更多更神奇的材料。

人工智能成就超合金

Fraunhofer IWS的專家通過“人工智能”（AI）和“機(jī)器學(xué)習(xí)”的先進(jìn)方法來提升對(duì)加工過程的理解，由Fraunhofer IWS圖像處理和數(shù)據(jù)管理工作組進(jìn)行研究。通過人工智能，可以找到這些數(shù)據(jù)泛洪中的隱藏聯(lián)系。

例如，特殊的分析算法將測得的傳感器值與研究所的粉末數(shù)據(jù)庫聯(lián)系起來，并評(píng)估進(jìn)一步的工藝參數(shù)。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，機(jī)器逐漸學(xué)習(xí)如何做出自己的決定。例如，可以自主確定是否可以容忍激光熔覆增材制造過程中溫度的輕微升高，還是必須在導(dǎo)致整個(gè)組件的加工出現(xiàn)質(zhì)量缺陷之前立即采取對(duì)策。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最能夠說明對(duì)更強(qiáng)大的材料需求這一前景的示例：如果大多數(shù)材料在1200度左右的溫度下還沒有失效，它們可以在更高的溫度下更高效地工作。誠然，有些材料可以承受如此高的溫度，但它們的成本非常高，并且難以使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行處理。

增材制造旨在解決這一難題，通過3D打印技術(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)更具成本效益的高性能材料。使用激光熔覆技術(shù)，可以以精確可調(diào)的進(jìn)給速度同時(shí)或連續(xù)的將不同粉末送入加工區(qū)域。

通常采用單一材料設(shè)計(jì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)組件不是很有效，因?yàn)榻M件不會(huì)在所有點(diǎn)上都受到相同的熱量。最好只在溫度很高的地方使用昂貴的高電阻材料，在其他地區(qū)，使用較便宜的材料就足夠了。這正是增材制造系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的，一旦人工智能學(xué)會(huì)了加工所需的超合金，下一步是將各種高性能材料整合到一個(gè)組件中。

在“ futureAM-下一代增材制造”聯(lián)合項(xiàng)目中，F(xiàn)raunhofer IWS和其他五個(gè)Fraunhofer研究所正在匯集這項(xiàng)技術(shù)和更多專業(yè)知識(shí)，以將增材制造推向新的高度。到2020年夏季，他們希望將其所有專業(yè)知識(shí)整合到增材制造工藝鏈中，并在實(shí)際組件中進(jìn)行展示。

提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)效率

現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室在燃燒過程中產(chǎn)生的溫度超過2，000開爾文。該值比所用材料的熔化溫度高數(shù)百度，所以必須對(duì)熱負(fù)荷較高的組件的某些區(qū)域進(jìn)行冷卻，并在內(nèi)部和外部配備特殊的隔熱涂層。考慮到飛機(jī)著陸后，發(fā)動(dòng)機(jī)再次迅速冷卻。加熱和冷卻的不斷變化給發(fā)動(dòng)機(jī)中的組件施加了巨大的壓力。

Fraunhofer IWS研究所開發(fā)了激光加工的微結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)延長了熱障涂層的壽命，并有助于顯著減少燃油的消耗和污染物的排放。Fraunhofer IWS技術(shù)的核心通過增材制造的微結(jié)構(gòu)用于在渦輪機(jī)部件上構(gòu)建創(chuàng)新的熱障涂層（TBC），并確保將金屬、抗氧化的粘合促進(jìn)劑層和陶瓷絕緣層高度貼合在一起。

Fraunhofer IWS研究人員解決了在組件快速膨脹和收縮期間發(fā)生的另一個(gè)問題。膨脹在絕緣層中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，該機(jī)械應(yīng)力是由材料的不同膨脹度引起的。這可能導(dǎo)致陶瓷層出現(xiàn)水平裂紋，隨后可能剝落。Fraunhofer IWS研究人員開發(fā)的微結(jié)構(gòu)特別地在陶瓷層中引發(fā)了垂直分割裂紋，這減小了材料中的拉應(yīng)力，從而防止了可怕的水平裂紋的形成。

為了產(chǎn)生花絲微結(jié)構(gòu)，研究人員需要進(jìn)一步開發(fā)現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)。高精度單模光纖激光器可產(chǎn)生低至30微米數(shù)量級(jí)的微結(jié)構(gòu)。除了實(shí)驗(yàn)之外，F(xiàn)raunhofer IWS所使用的仿真和理論模型也對(duì)成功起到了重要作用。新技術(shù)可以進(jìn)一步提高噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，同時(shí)提高燃燒溫度。更有效的燃燒可將燃料消耗降低百分之十，并減少溫室氣體排放。結(jié)合其他措施，每年可節(jié)省大量成本。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，來自Fraunhofer IWS的研究人員和工程師的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)已成功地將研究工作轉(zhuǎn)移到了符合航空業(yè)嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)的可投入生產(chǎn)的制造中，獲得了歐洲航空安全局（EASA）的航空批準(zhǔn)。自2018年2月以來，使用該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)已在空中客車A350-1000的長途飛機(jī)中使用。Fraunhofer的專家預(yù)計(jì)，將來其他噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)也將配備創(chuàng)新的IWS研究所開發(fā)的此項(xiàng)增材制造技術(shù)。

合作伙伴-ACAM為增材制造復(fù)雜挑戰(zhàn)導(dǎo)航

亞琛Fraunhofer ILT是futureAM項(xiàng)目的主導(dǎo)單位，在2015年，以亞琛Fraunhofer ILT， 亞琛Fraunhofer IPT，亞琛工業(yè)大學(xué)為基礎(chǔ)的亞琛增材制造中心ACAM成立，通過ACAM聚集亞琛的資源以及應(yīng)用端的需求，從而進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。目前有超過100多名科研人員從事增材制造的科研，解鎖增材制造復(fù)雜奧秘，ACAM集中亞琛的優(yōu)勢資源推動(dòng)增材制造認(rèn)證、聯(lián)合研發(fā)、培訓(xùn)教育、產(chǎn)業(yè)孵化等多方面的發(fā)展。

ACAM為增材制造復(fù)雜挑戰(zhàn)導(dǎo)航，視頻中ACAM的兩位直接領(lǐng)導(dǎo)人Schleifenbaum教授來自亞琛Fraunhofer ILT和亞琛工業(yè)大學(xué)DAP學(xué)院主席，Arntz博士來自亞琛Fraunhofer IPT，他們同時(shí)是ACAM中國董事。
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