3D 金屬打印（yìn）機器和設備的創始人Frank Herzog 先（xiān）生獲 2015 年度德國未來獎決賽提名
2015-11-30 來源：數（shù）控機床市場網 作者：Concept Laser 有限公司
由於獲得了德國總統科技和創新（xīn）獎（Preis des Bundespr?sidenten für Technik und Innovation）的提名，Concept Laser 公司的 Frank Herzog 先（xiān）生現如今可謂“精英（yīng）中的精英”。
柏林/利希滕費爾（ěr）斯 (Lichtenfels)，2015 年 11 月 06 日——近日（rì）據悉，作為一家 3D 金屬打印機器和設備製造企業的創始人兼執行合夥人，Frank Herzog 先生和他（tā）的兩位項目合作夥伴一起（qǐ）被提名為“2015 年度德國未來獎”的候選人。而能夠入圍（wéi）這（zhè）一“精英中的精英”的獎（jiǎng）項對於正值周年慶（qìng）的 Concept Laser 有限公司而言無疑又樹立（lì）了（le）一座新（xīn）的（de）裏程碑。“德國未來獎”是（shì）由德統（tǒng）設立的科技和創新獎項（xiàng）。獲獎（jiǎng）者均為工業和（hé）科研領域的開發（fā）人員（yuán），他們（men）通過各種項目和創新計劃，以特殊的方（fāng）式維護了德國作為創新基地（dì）的地位，可謂實至名歸。而（ér）由（yóu）於獲得了提名，現在 Frank Herzog 已經成為了“精英中（zhōng）的精英”。Frank Herzog 先生表示：“在2014 年連續榮獲（huò）巴（bā）伐利亞（yà）州 50 佳和德（dé）國經濟（jì）創新獎決賽提名之後，今（jīn）年該獎項的提名對於我而言是莫大的榮幸。同時，這也是對由（yóu）我研發的LaserCUSING 工（gōng）藝所蘊含的巨大潛力的一種肯定。”
圖 1：Frank Herzog，Concept Laser 執行合（hé）夥人：“在 2014 年獲得巴伐利亞州 50 佳和德國經濟創新獎決賽提名後，對於整個（gè）團隊和（hé）我而言，該獎項（xiàng）提名是莫大的（de）榮幸（xìng）。這同時也是對 LaserCUSING 工藝（yì）所蘊含的巨大（dà）潛力的一種肯定。” （圖片來源： Concept Laser 有限公司，利希滕（téng）費爾斯（sī））
標題為“民航製造領域的 3D 打印——一（yī）場正在興起的加工行（háng）業（yè）革命”的項目在創新程度和商業可行性等方麵最終（zhōng）征服了 2015 年度德國未來獎的終審評（píng）委。於是，由（yóu） Peter Sander （漢堡空（kōng）客新興技術和方案部門（mén）負責（zé）人 ）、Claus Emmelmann 教授（shòu）（漢堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席（xí）執行官）和 Frank Herzog（德國利希滕費爾斯 Concept Laser 有限公司創始人和業（yè）務管理合夥人）所組成的項目（mù）團隊（duì）獲得了 2015 年度德國未來獎的（de）提名。
圖 2：“德國未來獎” 或“聯邦總統技術和創新獎（jiǎng）”的圖標（圖片來（lái）源： © 德國未來獎）
項目的核心（xīn）涉及（jí）的是首款“打印”出來（lái）的鈦合金件，具（jù）體而言是空客 A350 XWB 機型上的一隻（zhī）“托架”。而作為具有（yǒu）“仿生學”特性的固定和連（lián）接（jiē）件（jiàn），它在飛機的輕量化（huà）設計方麵起到了重要（yào）的作用。這（zhè）項涉及多個工（gōng）業領域的研發成果顛覆了飛機（jī）結構件的加工方式，同時也在民用飛機領域實現了“輕量化”生（shēng）產。迄今為止該部（bù）件都是用鋁合金（Al）銑削加工而成的。而現在可以用鈦合（hé）金（Ti）將其打印出來，可以（yǐ）節省大約（yuē） 30% 的重量。
先驅精神引領成（chéng）功（gōng）
在金屬（shǔ）激光熔融領域，Frank Herzog 先（xiān）生稱得上是先行者。1998 年，原有的塑（sù）料燒結技術最終促成了 LaserCUSING 工藝的研發。當年，在大學期間的 Frank Herzog 就認為，如果在塑料上可行的話，那麽在金屬上也一定能夠做（zuò）得到。在工藝研發的（de）初期，部件中的應力（lì）和不能完全熔融的金屬粉末是他要麵臨的最（zuì）大的兩項挑（tiāo）戰。然而經過不懈的努力，通過隨機照射（智能（néng）曝光）技術和（hé）固定激光發生（shēng）器的引入，使（shǐ）得這（zhè）些問題都得（dé）到了（le）解決。
2000 年，這些先驅性的工（gōng）作最終促成了 Concept Laser 公司的成立（lì）。而到 2001 年，公司已經在法蘭克福舉行的 Euromold 展會上公開展示了自己的原型機 M3 Linear，拔得全球範圍內工業領域 3D 金屬打印方麵的頭籌。一年後，Concept Laser 公司便已經（jīng）交付了全球第一批設備。這種增材製造技術一開始還被人們視作（zuò）天方夜譚，可沒過多少年就已廣（guǎng）泛地運用在眾多工業領域和應用中。現在，在全球範（fàn）圍內超過 400 台的裝（zhuāng）機（jī）量就（jiù）是最好的（de）證明。Concept Laser 15 年的（de）曆史同時也見證了相關工藝發展在（zài）這 15 年中所取得的成（chéng）績，其中不乏大量的創新和專利（lì）。現如（rú）今，公（gōng）司已經擁有了獨立的研發部門，該部（bù）門的（de）員工（gōng）人數（shù）超（chāo）過 50 名。此外，Concept Laser 有限公司還作為合作夥伴與大學、科研機構和工業企業開展了廣泛的科（kē）研合作。另外，公（gōng）司還擁（yōng）有 50 多項已授權的（de）專利。目前，Concept Laser 有限公司正在申請的專利數（shù）量已有（yǒu）約 100 件，其中很大一部分在不久之後就能獲批授（shòu）權。由該公司提出專利申請的發（fā）明數量一直在（zài）不斷增加。
2015 年 Concept Laser 公司的 15 周年慶從數據上為我們展現了其輝煌的業績。在 2014 年（nián）取得了 75 % 的增（zēng）長之（zhī）後，Concept Laser 公司繼續保（bǎo）持高水平增長。2014 年，公司總共交付了110 台激光熔融打印設備（bèi）。而（ér） 2015 年交付的設備數量（liàng）將超（chāo）過（guò） 150 台。和已經非常成功的（de）去年相比，這（zhè）意（yì）味著銷售額預計會增長 35 %。
LaserCUSING 工（gōng）藝：
LaserCUSING 這個概念由 CONCEPT Laser 的首字母 C 、Laser(激光)和英文的 FUSING (熔融) 共同組成，技術說明如下：熔融工藝使用 3D CAD 數據逐層生成部件。通過（guò）該工藝（yì）可以不使用模具就可以製造出複雜幾何形狀的部件（jiàn），以及采用傳統製造方法很難或者根本無法製造的部件。通過 LaserCUSING 工藝可（kě）以高（gāo）精度（dù）製造可承受機械和熱負荷的（de）金屬部件。視應用情況而定，可以加工不鏽鋼和熱作鋼、鋁合金或鈦合金、鎳（niè）基超合金、鈷鉻合金或（huò）者貴金（jīn）屬如金或銀合金等。
在 LaserCUSING 工藝中通過高能量的（de）光纖（xiān）激光器使細粉狀金屬局部熔融。冷卻後，材料自行固化。部件的輪廓通過借助（zhù）反射鏡（jìng）偏轉裝置（掃描器（qì））實（shí）現的偏轉激光束來生成。通過逐層 (每層厚度 15 –150 μm) 降低加（jiā）工底板、重新塗覆粉末（mò）並重新熔融來實（shí）現部件的加工。 Concept Laser 設備的特點是能夠對薄片區域（也稱為“島”）隨機（智（zhì）能）控製，然後（hòu）逐個進行加工。這種獲得專利的工藝在製造巨大部件時可顯著降低部件中的（de）應（yīng）力。
圖 3：LaserCUSING 工（gōng）藝（yì）示意（yì）圖（圖片來源： Concept Laser 有限公司，利希（xī）滕費爾斯）
增材（cái）製造技術的一般特性（xìng）
增材製造技術在輕量化和提高（gāo）部件性能等方麵拓展出了廣闊的空間。具體的關鍵詞包括：功能集成、輕量化潛力、仿生學和拓撲學、資源保護、減少廢料、幾何形狀自由度、一步加工到位、減少裝配環節（jiē）、選擇性密度、實時生（shēng）產（包括“按需”生產）以（yǐ）及（jí）優化成本結構（例如通過 24 小時無人值（zhí）守（shǒu）的不間斷生產）。和傳統的切削加工工藝相（xiàng）比，激光熔融工（gōng）藝的優越性使其在許多領域內都可以很好的應對加工環節中所要麵臨的現實挑戰，從而成為解決這些問題的不二之（zhī）選（xuǎn）。在數字化時代，對於加工領域的（de）專（zhuān）家而言，增材製造（zào）技術的特點主（zhǔ）要體現在自動化程度高、加（jiā）工速度快、質量好、材（cái）料多樣性和生產環境友好性等多個方麵。最後，應用在（zài）數字化過（guò）程鏈上的（de）增材製造技術也是對（duì）“工業 4.0”戰略的一貫落實。
激光熔融技術對於飛機製造業的意義
在增材製造（zào）技術的框架條件（jiàn）下，金屬激光熔融技術對（duì）於飛機製造業而言意義越來越（yuè）重大。而加工速度快、部件成本低以及在成型方麵前所未有的自由度同樣也是飛機製造業選擇（zé）這一工藝不（bú）可辯駁的理由。作為新的關（guān）鍵詞，“輕量化”和“仿生學”也（yě）已經為人們所（suǒ）熟（shú）識。如今已開始顯現出新的趨勢：作（zuò）為一種增材（cái）製（zhì）造技術，它改變了飛機製造（zào）業研發人員的設計思路。在未來（lái）進行飛機部（bù）件設計的時候，不僅（jǐn）可以針對性地（dì）滿足（zú）力（lì）學特（tè）性，同（tóng）時還可以兼顧輕量化設計要求。和如今通過傳統工藝加工的部件相比，使用激（jī）光（guāng）熔融技術加工出（chū）的與安全有關的部件不（bú）僅能夠提高質量、減輕（qīng）重量（liàng），而且還能夠延長使用壽命（mìng）。除此以外（wài），在材料特性方麵也會略有不同。Claus Emmelmann 教授說：“使（shǐ）用激（jī）光增材技術加工的材料強（qiáng）度會有所提高。雖然材料的可延展性相對變差，但通過正確的熱處理工藝就可以重新（xīn）增強。”除（chú）此以外，該工藝的突出（chū）優勢還體現在可持續性、對（duì）資源（yuán）的保護以及對成本結構的優化。
圖 4：空中（zhōng）客車 A350 XWB 用（yòng）鈦合（hé）金和 LaserCUSING 工藝加工製成的仿生學客艙托架（圖片來源： 空中客車）
作為推（tuī）動（dòng）因素的形狀自由度和輕量化潛力
形狀自由度和減重是飛機製造業（yè）選擇金屬激光熔融技術的兩大理由。“輕量化（huà）”這一理念可（kě）以幫（bāng）助航（háng）空公（gōng）司在運營環節提高（gāo）飛機的經濟性。而通過減重，則可以降低燃油的消耗量，或者反過來提高飛機的裝載能力。在設計一款新飛機的過程中，需要以最小（xiǎo）的批量加工數千種所謂的 FTI (Flight Test Installations) 托架。增材“分層（céng）製造”技（jì）術讓設計人員能夠設計出全新的結構。而實際（jì）情（qíng）況表明，這樣加工出的部（bù）件相比傳統的鑄件或者銑削加工件可以減重超過 30 %。此外 CAD 數據還可以被直接應用（yòng）於增材製（zhì）造技術。由於不需要模具，因（yīn）此不僅可以降低成本，而且可以將加工時間最多（duō）縮短 75 % 。由於不需要采（cǎi）用任何模具（jù），因此現在可以盡可能早地（dì）加工出接近（jìn）量產（chǎn）件要求的功能樣件。為（wéi）此，不需要為模具投入任何前期成本。您可以在設計的最初階段發現潛（qián）在的設（shè）計缺陷，同時對項目進程（chéng）進行優化。Peter Sander表示：“過（guò）去，部件研發周期大約為（wéi）六個月，而現在隻需要一個月。”
圖 5：空中客車 A350 XWB（圖片來源： 空中客車）
部（bù）件或者產品設（shè）計方麵的仿生（shēng）學
通過金屬激光熔融技術可以加工出最精細的結構，甚至包括類骨骼的多孔（kǒng）結（jié）構。“因此，未來的飛機部件（jiàn）將會變得更加的‘仿生’。”Peter Sander 預測道。而大自（zì）然經曆了數百萬年的時間來優化功能和輕量化原理，同時合理地將（jiāng）資源消耗降（jiàng）至最低。它這樣做絕對是（shì）有道理的。目前，空客正在對這些來自大自然的解決方案可行性進行結構（gòu）化的分析。借助激光的“智能曝光策略（luè）”就可以有針對性地實現激光對部件的加工，令後者在結構（gòu）、強度和（hé）表麵質量等各個方麵滿足個性化的需求。Peter Sander 說：“最早的一批原型件在仿生學（xué）應用領域顯現出巨大的潛力。該工藝可能會在設計和加工領域引發一次根本性的變（biàn）革。”
作為重要指標的（de）質量
對於飛機製造商（shāng）而言，在部件的加工（gōng）製造階（jiē）段，檢驗無疑是工業（yè）化組成模塊中最重要的一個環節。Peter Sander 說道：“在實（shí）踐（jiàn）中，Concept Laser 的質量管理模塊 QMmeltpool 具體是（shì）通過如下的方式落實‘過程內監控’的：在一塊僅有 1x1 mm2 的加工麵積上（shàng），係統（tǒng）會借助相機和光電二極管實現對過程的監控（kòng）。並（bìng）將這個過程記錄下來。”從（cóng） 2016 年開始，還會在（zài）該模塊的基礎上增加（jiā） QMmeltpool 3D。有了它，原來對製造過程基於時（shí）間（jiān）的 2D 監控將會變為基於位置的 3D 檢驗環境。現在，係統不再（zài）僅僅返回基（jī）於時（shí）間（jiān）的數據，而是和計算機（jī） X射線斷層造影（CT）一樣，會額外返回基於位置（zhì）的信號，從而實現（xiàn）明確的定位（wèi）。有了這些信號，就可以生（shēng）成部件或其（qí）結構的 3D 數（shù）據集。這樣就可以為部件創（chuàng）建（jiàn）非常精確的 3D 模型。以此方式（shì），QMmeltpool 3D 可以提示部件上可能存在的缺（quē）陷部位。繼而也就（jiù）可以最大程度地減少後（hòu）續的（de）檢驗及測試工作。另外，數據在加工完畢後可以被立即使用，因而（ér）也就節省了時間。其他一（yī）些能夠實現主動質量保證（zhèng）的質（zhì）量（liàng）管理模塊還包括 QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser。 它們會測量或者監控激光的功率，或（huò）者金屬（shǔ）粉（fěn）末是否達（dá）到了最佳的層次結構，同時對整個（gè）加工過程實現全方位的（de）記錄（lù）。質量保證（zhèng）的另外一項舉措就是采用封閉式係統進行加工，從而保證了過程的無塵和無汙染。通過上述的措施，就可以徹底避免出現（xiàn）任何對加工過程造成不良影（yǐng）響的幹擾因素。Frank Herzog 對此說道：“現如今，我們完全可以確保加工工藝的受控性、高度可重複性和過程的可靠性（xìng）。”Emmelmann 教授強調道：“借助質量保證（zhèng）軟件，使得我們能夠對重要（yào）的數據，例如激光參數、熔池特性以及保護氣體的成分進行監控和記錄。因汙染所（suǒ）導致的幹擾因素可以被完全杜絕。”
在這一（yī）領域，Concept Laser 同（tóng）樣可以算得上（shàng）是先行者（zhě）。從 2004 年起，公司就已經開始嚐（cháng）試使用多（duō）套模（mó）塊以實現（xiàn）質量（liàng）改善/監控。
“綠色技術”實現對（duì）資源的保護
在對飛機部（bù）件進（jìn）行銑削加（jiā）工的過程中，所產生的廢料最多有 95 % 可以回收利用。如果采用激光熔融技術的話，那麽用（yòng）戶將可以獲得所謂的“接近最終輪廓的部件”，其廢料隻占（zhàn）大約 5 %。“在航（háng）空工業，我們（men）將其（qí）稱為（wéi）‘Buy-to-Fly 比率’，90 % 則是一個理想值。當然，這個參數還會體現在能耗方麵。”Claus Emmelmann 教授說道。因此，針對高品質且昂（áng）貴的飛機材料（liào），例如鈦合金，這種加工工藝絕對（duì）是具有（yǒu）吸引力的。不使用模具（jù）的加工（gōng）工藝不僅可以節省時間，而且還可以優化成本（běn）結構。合理的能量（liàng）消耗（hào）和資源保護是激光熔融技術的（de）兩大特征（zhēng）。Frank Herzog 說：“LaserCUSING 是一種‘綠（lǜ）色技術’，它（tā）在生（shēng）產（chǎn）環節能夠更好地（dì）落實生態及環境保護方麵的要（yào）求。”
圖 6： X line 2000R? 結合了（le）世（shì）界範圍內（nèi）最大的金屬激光熔融加工空間（800x400x500 mm3）和更高的加工速度。X line 2000R? 的多（duō）路激光技術（shù）通過 2 x 1000 瓦的激光（guāng），可以對照（zhào）射時間直接產生影響。（圖片來源： Concept Laser 有限公司，利希滕費（fèi）爾斯（sī））
備件供應 2.0： 實時、分散化並且“按需（xū）供應”
航空工業將下一個目標放在了備件上（shàng）。將（jiāng）來，備件（jiàn）的生產加工將會實現分散化和所謂的“按（àn）需”生（shēng）產。除此以外，整個加工過程（chéng）不需要用到任何模具。一旦有（yǒu）部件出現故障問題，那麽，就可以直接在現場（chǎng）加工備件。分散式的加工製造網（wǎng）絡將會興起，從而可以實現全球和地區性的戰略布局。這樣一來，就可以最（zuì）大程度地縮短運（yùn）輸裏程，繼而縮短（duǎn）交貨期。結果（guǒ）是（shì）可以縮短飛機因必要的維護保養所導致（zhì）的停機及檢修時間。有些（xiē）部件雖然極少使用，但（dàn）由於現代化機型（xíng）的使用壽命（mìng）普遍延長，因而必須為（wéi）它們（men）設立大型備件倉庫。而在將來，這樣的備件倉（cāng）庫的規模可以顯著縮小，進而減少資金占用量，尤其是那些安全性部件可以更快的投入使用（yòng）。在航空工業麵臨的成本壓力的情況下，這（zhè）絕對具有極大的誘惑力。
展望（wàng）
作為 3D 打印技術的激光熔融技術能（néng）夠加（jiā）工（gōng）出“更加智能的部件”，它們在幾乎所有性能指標方麵都超越了傳統（tǒng）工藝製造的部（bù）件。尤其是在航空和航天領域，相（xiàng）關的專業（yè）人士已經將其稱之為一場革命。目前，由於批量結構的原因，航空和航天業在（zài）增材製造領域僅（jǐn）僅扮演著開路先鋒的角色。但隨著（zhe）加工速度和加工量（liàng）的不斷增加，一定能夠在更多其他工業領（lǐng）域產（chǎn）生聯動效應。而在這裏，重點行業則（zé）包括汽車製造業、牙科和醫療以（yǐ）及（jí）工具和機床工業。最後，正如 Laser Zentrum Nord 向我們所展示的那樣，分散布局的加（jiā）工（gōng）服務商還會催生新的業務模式。 這樣一來，從價值創造的角度而（ér）言，還可以讓（ràng）生（shēng）產從低（dī）成本國家重新返（fǎn）回到位於歐洲和美國（guó）的傳統研發和工業基地，繼而進一步強化這些地區的創新能力（lì）和速度。
關於“2015 年度德國未來獎”
德國總統通過該獎項表彰（zhāng）那些將（jiāng）自（zì）己（jǐ）的創新成果成功轉化為被市場所接受的產品、並且因此創造就業崗位的研究和開發人員。該獎（jiǎng）項（xiàng）的（de）獎金為 250,000 歐元。德國未來獎將於 2015 年 12 月 02 日在柏林舉行頒（bān）獎儀式。
對於有推薦資格的機構（gòu）所提交的項目，將會由（yóu）十位來自科學和經濟領域的專家通過一整套嚴格的、多階段程序對其進行評估。最終，將會選出（chū）三到四個（gè）項目作為提名入圍最終的評比，同時接受公眾的監督。對於（yú）德國（guó）總統技術和創新獎而言，這幾支（zhī）團隊算的上是“精英中的精英”。
2015 年 12 月 02 日，一切就將揭曉：德國總統 Joachim Gauck 將會安排一場隆（lóng）重的慶祝活動（dòng），並根據評委們的評判，向最終勝（shèng）出的精英中（zhōng）的精英團隊授予榮譽。
關於 Concept Laser
Concept Laser 有限公司是一家來自利希滕費爾斯（Lichtenfels，德國）的獨立企業。公司（sī）自 2000 年成立（lì）以來，一直都是激光熔融技術領（lǐng）域的創新推動者，憑借獲得專利的 LaserCUSING? 技術（shù）從事跨（kuà）行業的（de）經營活動（dòng）。
LaserCUSING? 這個（gè）詞由 CONCEPT（概念）的（de） C、Laser（激光）和英語 FUSING（熔融）組成，描述的是這樣一種技術：使用（yòng） 3D CAD 數據逐層生成部件（jiàn）的熔融技術。該方（fāng）法可在不使用模具的情況下製造出複雜幾何形狀的部件，而（ér）這是常規製（zhì）造方（fāng）法（fǎ）很難或根本無法做到（dào）的。
利用 LaserCUSING? 技（jì）術既可以製造帶有貼近輪廓的冷卻係統的模（mó）具嵌件，也可以直（zhí）接製造飾品、醫療、牙科、汽車、航空航（háng）天行（háng）業用的部件。原型（xíng）件（jiàn）和量產件皆可製造。
公（gōng）司可（kě）提供標準設備和客戶定製的金屬激光熔融設備方案。在 Concept Laser 公司，全方位服務（Full Service）這一（yī）選項意味著：客戶可以購買金屬激光熔融設備，也可以直接利用公司的服務和開發能力。 Concept Laser 的激光加工設備可加工不（bú）鏽鋼、熱作鋼（gāng）、鈷鉻合金、鎳基（jī）合金粉末材料以及像鋁合金和鈦合金這樣的活（huó）性金屬粉（fěn）末材（cái）料。公司也可提供（gòng）用（yòng）於（yú）製作飾品的貴金屬（shǔ），例如金合金或者銀合金（jīn）。
LaserCUSING? 為眾多行業在進行產品開（kāi）發的經濟性和速度方麵開辟了新的前景，這（zhè）些行業包括：
醫療和牙科
航空航天工業（yè）
刀具與模具製造
汽車製造與（yǔ）賽車（chē）運動
飾（shì）品
機械製造
這些設備可縮短開發時（shí）間並明顯減少開發成（chéng）本，同時在產品開發過程中又具有明顯更高的靈活性（xìng）。Concept Laser 公司的高質量要求、經驗水平和參考案例彰顯（xiǎn）了其解決方案（àn）的工藝穩定性和成本效益，這些方案的效率也經過了日（rì）常生產的證實並以降低單位成本為首（shǒu）要目標。
Concept Laser 的（de） LaserCUSING 藝術
金屬激光熔融創意的應用領（lǐng）域：汽車製造和賽車運動、航空航天工業、醫療和牙科、刀具和模具製造、飾品以及機械製造。
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