德國Fraunhofer（弗勞恩霍夫）應用研究促進機構於1949年3月26日在慕尼黑成立，如今發展至70多個研究所，近3萬科研人員，是德國先進製造業的基石。Fraunhofer的研究工作完全針對人們的需求：製造、健康、安全、通訊、能源和環境。Fraunhofer的研究人員和開發人員所做的工作對人們的生活產生了重大影響。Fraunhofer很有創造力，Fraunhofer塑造技術，Fraunhofer設計產品，Fraunhofer開拓新的遠景。簡而言之，Fraunhofer開拓未來。
Fraunhofer的發展本身像一部推進科技改變生活的寫實畫卷，同時也見證了科技改變生活的神奇魅力。3D打印是一門跨界的技術，涉及到機械、激光、材料、數據、感應器監測、數字孿生、後處理、檢測、人工智能、工業互聯網等方方面面，隨著3D打印的發展，Fraunhofer作為一個研究領域極其交叉和跨界的龐大的有機組織將為世界的創新發展注入更多的能量。
Fraunhofer如何賦能3D打印等現進製造技術？本期，3D科學谷特別與谷友分享Fraunhofer旗下72家研究所中的一家Fraunhofer ILT激光技術研究所，從中一起領略強大的歐洲製造背後，年研發經費超過150億的Fraunhofer如何發揮中堅力量並不斷的與時俱進，預見未來！
Fraunhofer ILT激光技術研究所
激光變革創造與測量
弗勞恩霍夫激光技術研究所-Fraunhofer ILT擁有540多名員工，淨建築面積超過19,500平方米，是全球特定領域最重要的開發和合同研究機構之一。ILT的研究活動涵蓋了廣泛的領域，例如開發新的激光束源和組件，基於精確激光的計量學，測試技術和工業激光加工工藝。這包括激光切割、探洞、鑽孔、焊接和錫焊以及表面處理、微處理和增材製造。
此外，Fraunhofer ILT從事激光設備技術，過程控制，建模和仿真以及整個系統進化的相關技術。Fraunhofer ILT提供針對特定客戶生產線的可行性研究，工藝鑑定和激光集成。
Fraunhofer ILT包括五大研究板塊：激光和光學、激光加工、醫療技術與生物光子學、激光測量技術和EUV技術、數字化。
1 激光和光學
Fraunhofer ILT激光和光學技術領域致力於開發創新的激光束源以及高質量的光學組件和系統。Fraunhofer ILT經驗豐富的激光工程師團隊構建的光束源具有量身定製的空間，時間和光譜特性，範圍從μW到GW。這些光源種類繁多：從二極管激光器到固態激光器，從大功率連續激光器到超短脈衝激光器，從單頻系統到寬帶可調激光器。
在固態激光器領域，激光振盪器以及具有出色功率數據的放大器一直是Fraunhofer ILT關注的焦點。特別是在短脈衝激光器和寬帶放大器領域，Fraunhofer ILT可以提供許多專利和數據作為參考。
此外，Fraunhofer ILT在光束整形和引導，光學高功率組件的包裝以及光學組件的設計方面擁有大量專業知識。Fraunhofer ILT還專門研究尺寸高效的自由形式光學器件，Fraunhofer ILT開發的激光器和光學器件可以應用於從激光材料加工、測量工程、照明應用和醫療技術的所有領域，並被廣泛用於航空航天應用，量子技術和純研究領域。
2 激光加工
在許多製造工藝中，激光加工、微觀和宏觀技術的切割和焊接以及表面成型工藝中，激光是最重要的。無論是激光切割或激光焊接、鑽孔或釺焊、激光金屬沉積或清潔、拋光、增材製造，Fraunhofer ILT研究範圍涵蓋過程開發和可行性研究，模擬和建模以及生產線過程集成。
Fraunhofer ILT的優勢在於其廣泛的專有技術，可根據客戶要求量身定製，Fraunhofer ILT與專門的合作伙伴一起提供完整的系統解決方案，包括特殊工廠、工廠改造和其他定製化項目是眾多研發項目的組成部分。例如，根據客戶的特定需求，Fraunhofer ILT正在開發和生產用於激光材料加工的特殊加工部件。此外，通過更改組件設計和系統來監控工藝質量，客戶可獲得特定於激光器的解決方案，其中包括材料、產品設計、構造、生產方式和質量控制。Fraunhofer ILT技術領域吸引了來自各個領域的激光用戶：從機械加工和工具製造到光伏技術和精密工程，一直到飛機和汽車製造。
▏EHLA技術
2017年Fraunhofer ILT的研究人員開發了一種用於塗層和修復金屬部件的增材製造方法-EHLA超高速激光材料沉積技術。Fraunhofer激光技術研究所認為，超高速激光材料沉積技術（EHLA）具有替代當前腐蝕和磨損保護方法如硬鍍鉻和熱噴塗的潛力。
根據Fraunhofer激光研究所，EHLA工藝在效率和速度方面均優於現有的抗腐蝕和耐磨損塗層保護方法。Fraunhofer可以在短時間內使用EHLA技術在大面積的零部件上沉積十分之一毫米的薄層，並且節約資源，加工過程具有經濟性。
憑藉EHLA工藝，Fraunhofer ILT對當前抗腐蝕和磨損保護的加工工藝具有改進作用。由於硬鉻電鍍消耗大量能量並且具有粘合和孔隙率的缺點，而熱噴塗在所用材料方面可能相當浪費。相比之下，EHLA方法加工出來的塗層是無孔的，從而改善粘合情況並降低裂紋和孔隙的發生的可能性。除此之外，根據Fraunhofer，EHLA技術比熱噴塗節約90％的材料。
▏futureAM – 新一代增材製造
3D打印-增材製造領域，在亞琛Fraunhofer激光技術研究所ILT的領導下，“futureAM – 新一代增材製造”於2017年11月推出，旨在將金屬部件的增材製造加速至少10倍。當時3D科學谷做過關於“下一代粉末床激光熔融3D打印技術SLM系統的藍圖”的介紹。
Fraunhofer的未來增材製造futureAM項目獲得了特別令人興奮的進展，這個項目整合了Fraunhofer旗下六個研究所的共同努力，這六個研究所包括位於亞琛的ILT激光研究所, 位於漢堡的IAPT增材製造技術研究所，位於不萊梅的IFAM製造技術與先進材料研究所，位於達姆施塔特的IGD計算機圖形研究所，位於德累斯頓的IWS材料與光束技術研究所，位於開姆尼茨的 IWU機床工具與成型技術研究所。這些研究所的合作主要聚焦在兩方面，一是從訂單到產品製造的全流程角度全面考慮3D打印在數字和物理方面創造的附加值；二是通過研發飛躍性質的技術推動3D打印進入到新一代增材製造領域。
在製造技術方面，Fraunhofer ILT位於亞琛的科學家們已經開發了一種新型激光頭，這種激光頭具有非常大的功能，其有效使用的安裝空間為1,000 mm x 800 mm x 500 mm，與傳統的LPBF激光粉末床熔融系統相比，可將生產效率提高一倍。
此外，亞琛的科學家還正在研究監測金屬3D打印的新方法，以提高工藝的穩定性和製造的可重複性。通過在構建平臺中使用結構傳感器，希望在未來監測關鍵的缺陷，例如支撐結構何時發生撕裂。此外，超聲波傳感器還用於分析空氣中爆破的聲音以確定與組件質量的相關性。
在質量控制方面，Fraunhofer將不斷推動基於激光的超聲波測量的研究，將在未來更進一步進行一系列的研究，包括研究脈衝激光是如何引起結構噪聲，這些變化通過激光振動計檢測以形成變量之間相關性的研究。Fraunhofer希望在製造過程中發現空隙的產生，以便能夠立即進行干預。
▏“SLM綠色”3D打印銅項目
由於銅的導熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機內部難以操作。雖然當前選擇性激光熔化（SLM）3D打印技術可以用於製造銅金屬粉末材料。但是銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制等問題。此外，銅的高延展性給去除多餘粉末這樣的後處理工作增加了難度。
Fraunhofer ILT“SLM綠色”項目發現與現有方法相比，“SLM綠色”項目旨在“顯著提高細節分辨率以及更高的成本效益”。最具特色的是激光的顏色是綠色的。
根據Fraunhofer ILT，當前的粉末床激光熔化技術所採用的激光器通常在光的紅外光譜範圍內運行，這就是為什麼銅的低吸收率會發生，而且光的能量不能有效地熔化銅金屬。在綠色激光器中，與1μm波長的波長相比更短，波長在515nm。這意味著更少的激光功率輸出，此外，激光束可以更精確地聚焦，使其能夠使用新的SLM工藝製造更加精細的部件。Fraunhofer ILT正在創建更均勻的熔池動力學，以便建立高材料密度的組件，並獲得更高的細節分辨率。
▏AddSteel項目
對於不鏽鋼合金粉末材料來說，目前的一個市場挑戰是如何開發出表面硬化，並且可以熱處理的不鏽鋼合金粉末材料。是否存在可以被認證的材料，這些可以使零部件在LPBF加工過程中不會形成裂縫或缺陷？2019年初，德國的SMS公司，Deutsche Edelstahlwerke特種鋼公司，Fraunhofer ILT研究所，以及Fraunhofer ILT的孵化企業Aconity在亞琛推出了AddSteel項目，開發專門用於LPBF激光粉末床熔化金屬3D打印工藝的新型不鏽鋼合金粉末材料。
開發新型不鏽鋼合金粉末需要正確的金屬元素，正確的組合和冶金學的創造力 – 特別是在LPBF工藝下，不鏽鋼合金粉末將以新的方式加工。AddSteel項目合作伙伴選擇通過快速迭代過程來開發合金，並結合對LPBF工藝和設備的系統調整。
▏MultiPROmobil 新能源汽車輕量化部件項目
新能源汽車設計迭代快，產量大小存在波動，新能源汽車製造商對於創新的生產理念的追求，使得新能源汽車的生產需要在靈活性和生產率之間取得平衡。在動盪的市場中，激光技術與數字化相結合是成本效益生產的重要推動因素，Fraunhofer ILT集成了切割、焊接和增材製造多功能激光加工頭的機器人，將被應用於輕量化電動汽車的製造。
工業環境中，MultiPROmobil項目中帶有多功能激光加工頭的機器人，將能夠製造新能源汽車的仿生車輛結構。該技術的第一個應用示例為電動車輛的三角形控制臂，該部件將在優化設計和切割後，在多功能激光機器人單元中進行焊接和增材製造。而完成這些製造流程，不需要更換激光頭。
MultiPROmobil 項目的參與者預測，該技術將使新能源汽車製造商工程效率得到提高，啟動時間減少約30％。此外，他們希望單位成本和資源消耗至少降低20％。
Fraunhofer ILT與Laserfact 的多功能激光加工頭技術已經在工業中使用，例如在鋼鐵工業的塗層和檢測線中被用於切割和焊接，以及生產高精度金屬組件。隨著多功能激光加工頭技術的進一步發展，MultiPROmobil 項目將特別吸引那些對未來電動汽車市場做出重要貢獻的中小型公司。
▏中小企業的入門級SLM 3D打印機
為了吸引中小企業能感受到金屬3D打印的好處，Fraunhofer ILT研究所和亞琛大學的Goethelab聯手推出一個新的入門級金屬3D打印機，這臺設備打印出來的零件可以用作原型或者最終零件。用戶可以調整打印速度和質量，研究所嘗試打印了一箇中等大小的不鏽鋼組件，密度超過99.5%，並且可以在12小時內打印完成。
▏3D打印燃氣輪機葉片模塊化思路
西門子與Fraunhofer ILT研究所合作，通過選擇性激光熔化（SLM） 3D打印技術優化燃氣輪機葉片的製造工藝，實現快速製造。
SLM 3D打印技術雖然相比傳統工藝更適合承擔複雜零部件的製造，但是進行3D打印時需要添加內部的支撐結構。支撐結構的存在為打印之後的後續處理工作增加了難度。為了儘量在3D打印時減少支撐構，Fraunhofer激光技術研究所採用了模塊化的葉片設計思路，將葉片的兩個部分分別進行3D打印，完成之後再進行焊接。
經激光技術研究所改進後的工藝鏈完成了帶複雜冷卻結構的葉片製造任務，並且提高了表面質量。西門子公司在導向葉片完成3D打印之後進行了精密測量、精加工以及高溫焊接工作。在雙方合作下製造的功能性葉片經過了大量的測試，設計工程師在測試中獲得了大量數據。
渦輪機葉片模塊化設計和製造思路為其他複雜零部件的製造提供了可借鑑的經驗，也為連接精密鑄造的零部件與SLM 3D打印的零部件提供了可能性。同時，對於目前金屬3D打印設備無法完成的大型複雜零部件，也可以從模塊化設計和製造的思路中得到一定啟示。
3 醫療技術與生物光子學
Fraunhofer ILT醫療技術與生物光子學板塊的研究聚焦於治療和診斷以及顯微鏡分析中基於激光的應用。其研究細分領域包括生物分析、生物製造、生物功能化、植入物、臨床診斷、激光顯微鏡、激光治療、顯微外科系統、微流體系統。
4 激光測量技術和EUV技術
Fraunhofer ILT激光測量技術和EUV技術的研究重點在於製造測量技術、材料分析、回收和原材料領域的識別和分析技術、環境和安全性的測量和測試工程以及EUV的激光技術。
5 數字化
Fraunhofer ILT數字化的研究重點在於智能仿真、邊緣計算、數字工廠、人工智能實驗室、數據湖、工具和解決方案。
2015年9月，ACAM亞琛增材製造中心有限公司的奠基儀式在亞琛舉行，這是基於Fraunhofer IPT生產技術研究所、Fraunhofer ILT激光技術研究所、亞琛工業大學等工業研究領域成員的合作。
視頻：ACAM：為探索增材製造的複雜潛能導航
視頻中ACAM的兩位直接領導人Schleifenbaum教授來自Fraunhofer ILT和亞琛工業大學，Artnz博士來自Fraunhofer IPT
ACAM致力於為製造企業提供一站式的增材製造專業技術，成立以來積累了不同先進科研領域的專業知識，並通過提供聯合研發、諮詢、專業技術培訓和教育服務、軟件和系統工程以及定製服務，幫助企業應對增材製造技術在應用中的挑戰。部分ACAM的合作對象包括舍弗勒、Danfoss、GKN、GE Additive、林德集團、歐瑞康、大隈、Stratasys、大眾汽車及豐田汽車等。
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