3D 金属打印机器和设备的创始人Frank Herzog 先生获 2015 年度德国未来奖决赛提名
2015-11-30 来源：数控机床市场网 作者：Concept Laser 有限公司
由于获得了德国总统科技和创新奖（Preis des Bundespr?sidenten für Technik und Innovation）的提名，Concept Laser 公司的 Frank Herzog 先生现如今可谓“精英中的精英”。
柏林/利希滕费尔斯 (Lichtenfels)，2015 年 11 月 06 日——近日据悉，作为一家 3D 金属打印机器和设备制造企业的创始人兼执行合伙人，Frank Herzog 先生和他的两位项目合作伙伴一起被提名为“2015 年度德国未来奖”的候选人。而能够入围这一“精英中的精英”的奖项对于正值周年庆的 Concept Laser 有限公司而言无疑又树立了一座新的里程碑。“德国未来奖”是由德统设立的科技和创新奖项。获奖者均为工业和科研领域的开发人员，他们通过各种项目和创新计划，以特殊的方式维护了德国作为创新基地的地位，可谓实至名归。而由于获得了提名，现在 Frank Herzog 已经成为了“精英中的精英”。Frank Herzog 先生表示：“在2014 年连续荣获巴伐利亚州 50 佳和德国经济创新奖决赛提名之后，今年该奖项的提名对于我而言是莫大的荣幸。同时，这也是对由我研发的LaserCUSING 工艺所蕴含的巨大潜力的一种肯定。”
图 1：Frank Herzog，Concept Laser 执行合伙人：“在 2014 年获得巴伐利亚州 50 佳和德国经济创新奖决赛提名后，对于整个团队和我而言，该奖项提名是莫大的荣幸。这同时也是对 LaserCUSING 工艺所蕴含的巨大潜力的一种肯定。” （图片来源： Concept Laser 有限公司，利希滕费尔斯）
标题为“民航制造领域的 3D 打印——一场正在兴起的加工行业革命”的项目在创新程度和商业可行性等方面最终征服了 2015 年度德国未来奖的终审评委。于是，由 Peter Sander （汉堡空客新兴技术和方案部门负责人 ）、Claus Emmelmann 教授（汉堡 Laser Zentrum Nord 有限公司首席执行官）和 Frank Herzog（德国利希滕费尔斯 Concept Laser 有限公司创始人和业务管理合伙人）所组成的项目团队获得了 2015 年度德国未来奖的提名。
图 2：“德国未来奖” 或“联邦总统技术和创新奖”的图标（图片来源： © 德国未来奖）
项目的核心涉及的是首款“打印”出来的钛合金件，具体而言是空客 A350 XWB 机型上的一只“托架”。而作为具有“仿生学”特性的固定和连接件，它在飞机的轻量化设计方面起到了重要的作用。这项涉及多个工业领域的研发成果颠覆了飞机结构件的加工方式，同时也在民用飞机领域实现了“轻量化”生产。迄今为止该部件都是用铝合金（Al）铣削加工而成的。而现在可以用钛合金（Ti）将其打印出来，可以节省大约 30% 的重量。
先驱精神引领成功
在金属激光熔融领域，Frank Herzog 先生称得上是先行者。1998 年，原有的塑料烧结技术最终促成了 LaserCUSING 工艺的研发。当年，在大学期间的 Frank Herzog 就认为，如果在塑料上可行的话，那么在金属上也一定能够做得到。在工艺研发的初期，部件中的应力和不能完全熔融的金属粉末是他要面临的最大的两项挑战。然而经过不懈的努力，通过随机照射（智能曝光）技术和固定激光发生器的引入，使得这些问题都得到了解决。
2000 年，这些先驱性的工作最终促成了 Concept Laser 公司的成立。而到 2001 年，公司已经在法兰克福举行的 Euromold 展会上公开展示了自己的原型机 M3 Linear，拔得全球范围内工业领域 3D 金属打印方面的头筹。一年后，Concept Laser 公司便已经交付了全球第一批设备。这种增材制造技术一开始还被人们视作天方夜谭，可没过多少年就已广泛地运用在众多工业领域和应用中。现在，在全球范围内超过 400 台的装机量就是最好的证明。Concept Laser 15 年的历史同时也见证了相关工艺发展在这 15 年中所取得的成绩，其中不乏大量的创新和专利。现如今，公司已经拥有了独立的研发部门，该部门的员工人数超过 50 名。此外，Concept Laser 有限公司还作为合作伙伴与大学、科研机构和工业企业开展了广泛的科研合作。另外，公司还拥有 50 多项已授权的专利。目前，Concept Laser 有限公司正在申请的专利数量已有约 100 件，其中很大一部分在不久之后就能获批授权。由该公司提出专利申请的发明数量一直在不断增加。
2015 年 Concept Laser 公司的 15 周年庆从数据上为我们展现了其辉煌的业绩。在 2014 年取得了 75 % 的增长之后，Concept Laser 公司继续保持高水平增长。2014 年，公司总共交付了110 台激光熔融打印设备。而 2015 年交付的设备数量将超过 150 台。和已经非常成功的去年相比，这意味着销售额预计会增长 35 %。
LaserCUSING 工艺：
LaserCUSING 这个概念由 CONCEPT Laser 的首字母 C 、Laser(激光)和英文的 FUSING (熔融) 共同组成，技术说明如下：熔融工艺使用 3D CAD 数据逐层生成部件。通过该工艺可以不使用模具就可以制造出复杂几何形状的部件，以及采用传统制造方法很难或者根本无法制造的部件。通过 LaserCUSING 工艺可以高精度制造可承受机械和热负荷的金属部件。视应用情况而定，可以加工不锈钢和热作钢、铝合金或钛合金、镍基超合金、钴铬合金或者贵金属如金或银合金等。
在 LaserCUSING 工艺中通过高能量的光纤激光器使细粉状金属局部熔融。冷却后，材料自行固化。部件的轮廓通过借助反射镜偏转装置（扫描器）实现的偏转激光束来生成。通过逐层 (每层厚度 15 –150 μm) 降低加工底板、重新涂覆粉末并重新熔融来实现部件的加工。 Concept Laser 设备的特点是能够对薄片区域（也称为“岛”）随机（智能）控制，然后逐个进行加工。这种获得专利的工艺在制造巨大部件时可显著降低部件中的应力。
图 3：LaserCUSING 工艺示意图（图片来源： Concept Laser 有限公司，利希滕费尔斯）
增材制造技术的一般特性
增材制造技术在轻量化和提高部件性能等方面拓展出了广阔的空间。具体的关键词包括：功能集成、轻量化潜力、仿生学和拓扑学、资源保护、减少废料、几何形状自由度、一步加工到位、减少装配环节、选择性密度、实时生产（包括“按需”生产）以及优化成本结构（例如通过 24 小时无人值守的不间断生产）。和传统的切削加工工艺相比，激光熔融工艺的优越性使其在许多领域内都可以很好的应对加工环节中所要面临的现实挑战，从而成为解决这些问题的不二之选。在数字化时代，对于加工领域的专家而言，增材制造技术的特点主要体现在自动化程度高、加工速度快、质量好、材料多样性和生产环境友好性等多个方面。最后，应用在数字化过程链上的增材制造技术也是对“工业 4.0”战略的一贯落实。
激光熔融技术对于飞机制造业的意义
在增材制造技术的框架条件下，金属激光熔融技术对于飞机制造业而言意义越来越重大。而加工速度快、部件成本低以及在成型方面前所未有的自由度同样也是飞机制造业选择这一工艺不可辩驳的理由。作为新的关键词，“轻量化”和“仿生学”也已经为人们所熟识。如今已开始显现出新的趋势：作为一种增材制造技术，它改变了飞机制造业研发人员的设计思路。在未来进行飞机部件设计的时候，不仅可以针对性地满足力学特性，同时还可以兼顾轻量化设计要求。和如今通过传统工艺加工的部件相比，使用激光熔融技术加工出的与安全有关的部件不仅能够提高质量、减轻重量，而且还能够延长使用寿命。除此以外，在材料特性方面也会略有不同。Claus Emmelmann 教授说：“使用激光增材技术加工的材料强度会有所提高。虽然材料的可延展性相对变差，但通过正确的热处理工艺就可以重新增强。”除此以外，该工艺的突出优势还体现在可持续性、对资源的保护以及对成本结构的优化。
图 4：空中客车 A350 XWB 用钛合金和 LaserCUSING 工艺加工制成的仿生学客舱托架（图片来源： 空中客车）
作为推动因素的形状自由度和轻量化潜力
形状自由度和减重是飞机制造业选择金属激光熔融技术的两大理由。“轻量化”这一理念可以帮助航空公司在运营环节提高飞机的经济性。而通过减重，则可以降低燃油的消耗量，或者反过来提高飞机的装载能力。在设计一款新飞机的过程中，需要以最小的批量加工数千种所谓的 FTI (Flight Test Installations) 托架。增材“分层制造”技术让设计人员能够设计出全新的结构。而实际情况表明，这样加工出的部件相比传统的铸件或者铣削加工件可以减重超过 30 %。此外 CAD 数据还可以被直接应用于增材制造技术。由于不需要模具，因此不仅可以降低成本，而且可以将加工时间最多缩短 75 % 。由于不需要采用任何模具，因此现在可以尽可能早地加工出接近量产件要求的功能样件。为此，不需要为模具投入任何前期成本。您可以在设计的最初阶段发现潜在的设计缺陷，同时对项目进程进行优化。Peter Sander表示：“过去，部件研发周期大约为六个月，而现在只需要一个月。”
图 5：空中客车 A350 XWB（图片来源： 空中客车）
部件或者产品设计方面的仿生学
通过金属激光熔融技术可以加工出最精细的结构，甚至包括类骨骼的多孔结构。“因此，未来的飞机部件将会变得更加的‘仿生’。”Peter Sander 预测道。而大自然经历了数百万年的时间来优化功能和轻量化原理，同时合理地将资源消耗降至最低。它这样做绝对是有道理的。目前，空客正在对这些来自大自然的解决方案可行性进行结构化的分析。借助激光的“智能曝光策略”就可以有针对性地实现激光对部件的加工，令后者在结构、强度和表面质量等各个方面满足个性化的需求。Peter Sander 说：“最早的一批原型件在仿生学应用领域显现出巨大的潜力。该工艺可能会在设计和加工领域引发一次根本性的变革。”
作为重要指标的质量
对于飞机制造商而言，在部件的加工制造阶段，检验无疑是工业化组成模块中最重要的一个环节。Peter Sander 说道：“在实践中，Concept Laser 的质量管理模块 QMmeltpool 具体是通过如下的方式落实‘过程内监控’的：在一块仅有 1x1 mm2 的加工面积上，系统会借助相机和光电二极管实现对过程的监控。并将这个过程记录下来。”从 2016 年开始，还会在该模块的基础上增加 QMmeltpool 3D。有了它，原来对制造过程基于时间的 2D 监控将会变为基于位置的 3D 检验环境。现在，系统不再仅仅返回基于时间的数据，而是和计算机 X射线断层造影（CT）一样，会额外返回基于位置的信号，从而实现明确的定位。有了这些信号，就可以生成部件或其结构的 3D 数据集。这样就可以为部件创建非常精确的 3D 模型。以此方式，QMmeltpool 3D 可以提示部件上可能存在的缺陷部位。继而也就可以最大程度地减少后续的检验及测试工作。另外，数据在加工完毕后可以被立即使用，因而也就节省了时间。其他一些能够实现主动质量保证的质量管理模块还包括 QMcoating、QMatmosphere、QMpowder 和 QMlaser。 它们会测量或者监控激光的功率，或者金属粉末是否达到了最佳的层次结构，同时对整个加工过程实现全方位的记录。质量保证的另外一项举措就是采用封闭式系统进行加工，从而保证了过程的无尘和无污染。通过上述的措施，就可以彻底避免出现任何对加工过程造成不良影响的干扰因素。Frank Herzog 对此说道：“现如今，我们完全可以确保加工工艺的受控性、高度可重复性和过程的可靠性。”Emmelmann 教授强调道：“借助质量保证软件，使得我们能够对重要的数据，例如激光参数、熔池特性以及保护气体的成分进行监控和记录。因污染所导致的干扰因素可以被完全杜绝。”
在这一领域，Concept Laser 同样可以算得上是先行者。从 2004 年起，公司就已经开始尝试使用多套模块以实现质量改善/监控。
“绿色技术”实现对资源的保护
在对飞机部件进行铣削加工的过程中，所产生的废料最多有 95 % 可以回收利用。如果采用激光熔融技术的话，那么用户将可以获得所谓的“接近最终轮廓的部件”，其废料只占大约 5 %。“在航空工业，我们将其称为‘Buy-to-Fly 比率’，90 % 则是一个理想值。当然，这个参数还会体现在能耗方面。”Claus Emmelmann 教授说道。因此，针对高品质且昂贵的飞机材料，例如钛合金，这种加工工艺绝对是具有吸引力的。不使用模具的加工工艺不仅可以节省时间，而且还可以优化成本结构。合理的能量消耗和资源保护是激光熔融技术的两大特征。Frank Herzog 说：“LaserCUSING 是一种‘绿色技术’，它在生产环节能够更好地落实生态及环境保护方面的要求。”
图 6： X line 2000R? 结合了世界范围内最大的金属激光熔融加工空间（800x400x500 mm3）和更高的加工速度。X line 2000R? 的多路激光技术通过 2 x 1000 瓦的激光，可以对照射时间直接产生影响。（图片来源： Concept Laser 有限公司，利希滕费尔斯）
备件供应 2.0： 实时、分散化并且“按需供应”
航空工业将下一个目标放在了备件上。将来，备件的生产加工将会实现分散化和所谓的“按需”生产。除此以外，整个加工过程不需要用到任何模具。一旦有部件出现故障问题，那么，就可以直接在现场加工备件。分散式的加工制造网络将会兴起，从而可以实现全球和地区性的战略布局。这样一来，就可以最大程度地缩短运输里程，继而缩短交货期。结果是可以缩短飞机因必要的维护保养所导致的停机及检修时间。有些部件虽然极少使用，但由于现代化机型的使用寿命普遍延长，因而必须为它们设立大型备件仓库。而在将来，这样的备件仓库的规模可以显著缩小，进而减少资金占用量，尤其是那些安全性部件可以更快的投入使用。在航空工业面临的成本压力的情况下，这绝对具有极大的诱惑力。
展望
作为 3D 打印技术的激光熔融技术能够加工出“更加智能的部件”，它们在几乎所有性能指标方面都超越了传统工艺制造的部件。尤其是在航空和航天领域，相关的专业人士已经将其称之为一场革命。目前，由于批量结构的原因，航空和航天业在增材制造领域仅仅扮演着开路先锋的角色。但随着加工速度和加工量的不断增加，一定能够在更多其他工业领域产生联动效应。而在这里，重点行业则包括汽车制造业、牙科和医疗以及工具和机床工业。最后，正如 Laser Zentrum Nord 向我们所展示的那样，分散布局的加工服务商还会催生新的业务模式。 这样一来，从价值创造的角度而言，还可以让生产从低成本国家重新返回到位于欧洲和美国的传统研发和工业基地，继而进一步强化这些地区的创新能力和速度。
关于“2015 年度德国未来奖”
德国总统通过该奖项表彰那些将自己的创新成果成功转化为被市场所接受的产品、并且因此创造就业岗位的研究和开发人员。该奖项的奖金为 250,000 欧元。德国未来奖将于 2015 年 12 月 02 日在柏林举行颁奖仪式。
对于有推荐资格的机构所提交的项目，将会由十位来自科学和经济领域的专家通过一整套严格的、多阶段程序对其进行评估。最终，将会选出三到四个项目作为提名入围最终的评比，同时接受公众的监督。对于德国总统技术和创新奖而言，这几支团队算的上是“精英中的精英”。
2015 年 12 月 02 日，一切就将揭晓：德国总统 Joachim Gauck 将会安排一场隆重的庆祝活动，并根据评委们的评判，向最终胜出的精英中的精英团队授予荣誉。
关于 Concept Laser
Concept Laser 有限公司是一家来自利希滕费尔斯（Lichtenfels，德国）的独立企业。公司自 2000 年成立以来，一直都是激光熔融技术领域的创新推动者，凭借获得专利的 LaserCUSING? 技术从事跨行业的经营活动。
LaserCUSING? 这个词由 CONCEPT（概念）的 C、Laser（激光）和英语 FUSING（熔融）组成，描述的是这样一种技术：使用 3D CAD 数据逐层生成部件的熔融技术。该方法可在不使用模具的情况下制造出复杂几何形状的部件，而这是常规制造方法很难或根本无法做到的。
利用 LaserCUSING? 技术既可以制造带有贴近轮廓的冷却系统的模具嵌件，也可以直接制造饰品、医疗、牙科、汽车、航空航天行业用的部件。原型件和量产件皆可制造。
公司可提供标准设备和客户定制的金属激光熔融设备方案。在 Concept Laser 公司，全方位服务（Full Service）这一选项意味着：客户可以购买金属激光熔融设备，也可以直接利用公司的服务和开发能力。 Concept Laser 的激光加工设备可加工不锈钢、热作钢、钴铬合金、镍基合金粉末材料以及像铝合金和钛合金这样的活性金属粉末材料。公司也可提供用于制作饰品的贵金属，例如金合金或者银合金。
LaserCUSING? 为众多行业在进行产品开发的经济性和速度方面开辟了新的前景，这些行业包括：
医疗和牙科
航空航天工业
刀具与模具制造
汽车制造与赛车运动
饰品
机械制造
这些设备可缩短开发时间并明显减少开发成本，同时在产品开发过程中又具有明显更高的灵活性。Concept Laser 公司的高质量要求、经验水平和参考案例彰显了其解决方案的工艺稳定性和成本效益，这些方案的效率也经过了日常生产的证实并以降低单位成本为首要目标。
Concept Laser 的 LaserCUSING 艺术
金属激光熔融创意的应用领域：汽车制造和赛车运动、航空航天工业、医疗和牙科、刀具和模具制造、饰品以及机械制造。
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