增材制造在设计和开发零件时提供了很大的自由度。不过，您并不总是局限于一个构建平台。一些机器和工艺提供的可能是最终的自由——自由形式的制造。
作者:Leslie Langnau，执行主编
可以自由地构建任何你想要的几何形状，特别是使用金属材料，这是增材制造(也称为3 d打印技术-3DP)而不是更传统的零件生产形式，如cnc和注塑。
增材制造(AM)机器的开发人员正在提出极具创意和创新的方法来构建物体，其中一些涉及在X、Y和Z平面上移动的新颖方法。
一些吹粉增材制造机器，比如Optomec公司的这台机器，可以提供五轴协调运动:X、Y、Z、倾斜和旋转。LENS系统使用高功率激光(500W至4kW)将粉末金属融合成完全致密的三维结构。
许多AM工艺的金属材料使用一种类型的粉末床融合。但是，在这里，您仍然受到构建表和室的大小的限制。如果你不需要担心身高呢?如果像一只在空中飞行的鸟一样，你可以在X、Y和Z平面上旋转和旋转来构建物体呢?
一种被称为吹粉增材制造的工艺可以提供这样的自由。它已经使用了很多年，与粉末床方法不同的是，你不需要使用一桶激光移动的粉末来一层一层地固化特定的图案。
Optomec公司的LENS增材制造机。
取而代之的是一个粉末输送系统，由精确调节质量流量的喷嘴组成，将粉末吹到与激光束相交的中心点。在交点，粉末烧结，因为它是沉积在基材上。这种基板可以是几种东西，包括正在建造的物体或部件的初始层，或者添加金属以修复磨损或损坏的现有部件。
Optomec是吹粉AM系统的开发商。Optomec LENS技术被放置在一个密封的氩气净化室中，以保持氧气和水分水平低于10ppm，以防止氧化。
机器中的工作台可以倾斜和旋转，提供五轴协调运动:X、Y、Z、倾斜和旋转。对于不适合放在桌子上的较大部件，机器包括一个轨道系统，吹粉输送喷嘴在其中移动。Optomec最大的机器具有900 X 1500 X 900毫米的工艺工作范围(35.43 × 59.06 × 35.43英寸)。
在LENS机器中，工作台可用于制造或向较小的部件添加金属材料。但如果零件对工作台来说太大，机器包括一个零售系统，吹粉输送喷嘴移动。
该公司的LENS技术制造的部件具有与许多应用的锻造相同的机械性能。例如，根据独立测试，使用该工艺钛合金Ti 6-4具有与锻造退火材料相匹配的疲劳强度。该工艺与许多金属兼容，(不锈钢，工具钢，钛合金，钴合金，陶瓷，难熔金属等)，可以由许多供应商提供。表面光洁度范围从12到25微米Ra。
水冷式沉积头以约0.5 kg/小时的速度沉积标准钢、钛和镍合金的烧结粉末。金属物体的孔隙率可以小于100微米。集成的相机和光学系统可以帮助您看到操作过程。
一旦您将CAD设计转换为STL文件，AM机器的控件将使用实体模型中的几何信息自动逐层构建组件。机器控制和软件使用用户指定的层高度和孵化模式将STL数据转换为G代码工具路径。该部件在软件的控制下一层一层地构造，该软件监测参数，以确保几何和机械完整性。
部件可以完全密集地建造。您还可以使用此过程向现有结构添加金属材料，例如金属风扇叶片或工业零件，以修复它们的磨损或轻微损坏，或重新加工它们以纠正缺陷。或者，你可以很容易地使用这个过程，只是添加材料，使部分更大。
当构建完成时，组件可以从腔室中取出，然后可以根据需要进行其他工艺，如热处理、热等静压、机械加工或以任何习惯的方式进行精加工。
LENS技术是迄今为止唯一可作为交钥匙系统配置或可集成到现有或新的数控机床的模块化打印引擎的AM技术。这种灵活性使您能够在同一系统中沉积金属和机器。
结合电子在3DP构建
吹材料的另一个用途是添加创建一个对象是结合电子到AM构建。Optomec的气溶胶喷射技术就是一个例子。
喷墨打印可用于制造微型电子电路和元件。该工艺适用于一系列功能材料，包括导体、半导体、电阻、介质和封装材料。这些材料几乎可以印在任何表面材料上。精细的特征尺寸允许将离散smd(如集成电路、MEMS和传感器)新颖地封装到3D部件上。
气溶胶喷射过程使用空气动力学聚焦精确和准确地沉积功能墨水。沉积方向直接来自CAD程序。墨水可以由金属、聚合物、陶瓷甚至生物材料组成。
墨水被放入雾化器中，雾化器会产生直径在1到5微米之间的致密液滴气溶胶。气溶胶液滴密度可接近每立方毫米10微米。大于5微米的液滴无法克服重力，因此会落回墨水中并被回收。
气雾由气流携带到沉积头。在沉积头内，气溶胶被第二气流(鞘状气体)聚焦，鞘状气体围绕气溶胶形成环形。当护套气体和气溶胶通过异形喷嘴时，混合物被压缩，从而聚焦气溶胶。所产生的高速收敛粒子流沉积在基片上，产生精细的特征。
一旦材料沉积，可以进行热或化学后处理，以获得最终的电气和机械性能以及与基材的附着力。气溶胶喷射印刷电子系统可以使用激光处理工艺在本地处理沉积，该工艺允许使用具有非常低温度耐受性的衬底材料，如聚合物。最终的结果是一个高质量的薄膜(精细到10纳米)，具有出色的边缘清晰度和近体性能。
在沉积过程中，被打印的材料和喷嘴之间没有物理接触。这有助于保持打印系统的关键区域清洁和自由的材料建立，允许长时间的运行和稳定的运行。
使用像气溶胶喷射这样的工艺可以将复杂的电路打印到3D结构上。但是在3DP/AM系统上生产的一些部件显示出使3D电子系统集成复杂化的特征。Optomec工程师已经确定的这些功能包括:
•表面粗糙多孔
•粉末材料热稳定性低
•高基材热膨胀系数(CTE)。
粗糙和多孔的表面具有相对较高的表面能，使得印刷油墨难以形成干净、均匀的沉积物。当表面粗糙度远大于油墨厚度时尤其如此。
许多聚合物基3DP/AM材料的相对低温能力也使其难以从沉积油墨中获得良好的电学性能。
与LENS系统一样，Optemec将气溶胶喷射技术作为交钥匙系统或可集成到自动化平台的模块化打印引擎提供。模块化架构是可扩展的，旨在使快速交换出的喷雾器打印卡带从打印头进行日常清洁和墨水补充。
Optomec
www.optomec.com
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