如何通過多激光器3D打印技術構建高完整性的金屬零件

魔猴君  行業資訊   2103天前

以生產為導向的多激光器金屬3D打印設備通過多個激光器來提高3D打印的生產效率，多重激光既可以分別制造獨立的部件，也可以協同制造一個單件大型部件。這樣的靈活性，使得3D打印生產效率得到提高，并降低了制造成本。
但是多激光器在同時工作時會不會互相影響呢？激光之間的相互作用又對金屬3D打印部件的質量產生什么影響呢？雷尼紹公司通過其四激光器金屬3D打印設備 RenAM 500Q 對多激光器之間的相互作用，以及如何合理規劃多激光器設備的激光策略進行了研究，從中可以得到一些啟示。
多激光器配置
在研究中，研究人員考慮了激光器和惰性氣體流之間的關系，以及一種激光器在特定情況下如何影響另一種激光器，繼而可能導致材料性能下降的問題。不同金屬粉末材料所產生的飛濺會因尺寸、形狀和數量的不同而存在顯著差異，當然，多激光器設備在加工時會產生更多的飛濺，這使得有效的激光管理變得更加重要。
在多激光器3D打印設備種，當多個激光器在比較近的距離內工作時，一個激光器發射激光將影響到另一個激光器，這取決于它們在惰性氣體流中所處的相對位置。當一個激光器處于另一個激光器的下風向時，其激光束會受到上風向激光熔融的影響。
Renishaw 曾對第一代多激光器設備如何通過分區并結合線性或發散惰性氣流來避免產生以上現象。然而這種方法存在幾個缺點：

-非對稱構建導致生產率降低，這是因為在這種模式下，每個激光器具有不同的工作量，因此其中一部分激光器需要閑置等待其他激光器完成任務。
-獨立的光學系統可能難以對準，并且可能遭受相對于彼此的熱漂移，當在較大的部件上工作時，會導致重疊區域中的不連續性。
-不同的氣流導致整個構建板上的熔化條件發生變化，特別是在中心區域。

而新一代多激光器3D打印設備（如雷尼紹的4激光器打印設備RenAM 500Q）具有完全激光重疊，因此每個激光器都可以處理整個構建板。這樣就可以在每個打印層中高效利用到4個激光器，最大限度的縮短構建時間，這種設備還可以通過單個激光器對大型部件進行邊界掃描，從而消除表面的不連續性。單個溫度控制的振鏡可防止激光器相對位置的熱漂移。均勻的氣體流動狀態確保了構建板所有區域中的恒定條件。
多激光器相互作用研究
雖然這種采用激光完全重疊機制的多激光器設備有一定的優勢，但這類技術仍存在著激光器之間互“不接受”的風險。激光在惰性氣體氣流中的相對位置是非常重要的，但是在打印構建準備期間將任務分配給激光器時，可以對此進行控制。
研究人員通過建造一系列3D打印圓柱體以及垂直拉伸實驗對多激光器之間的相互作用進行了研究。在研究過程中，研究人員同時使用了4個激光器，并選擇了一個4 x 4 陣列來探索各種激光器分配選項，樣件采用的打印材料為 Inconel-625。
激光分配選擇的影響
在單激光機器3D打印設備中，通常是在惰性氣體流的下風向開始進行粉末材料的熔化，然后逐漸向上風向移動，這樣做是為了最大限度地減少在同一打印層中碰到由激光器產生的飛濺的機會。在使用多個激光器3D打印設備時，仍可以使用這種策略。在實驗中所使用的RenAM 500Q 3D打印設備中，這意味著激光從左到右進行處理。

在進行圓柱體樣件3D打印時，其中一種激光掃描策略是，4個激光器同時對左邊第1列（如上圖：1，5，9，13）中的中的4個樣品起作用，然后移動到下一個色譜柱，直到每個層完成。這種激光分配選擇意味著每個激光器都在“清潔空氣”中處理，沒有受到其他激光的影響。


相反，如果在加工圓柱體樣件時采用行陣列的策略，如上圖所示，激光器1 始終處于其他激光的下風向，激光器4始終處于其他3個激光的上風向，激光器2和3則既處于上風向也處于下風向。
還有一種激光掃描策略是，同時使用4個激光器構建每個圓柱體樣件。如果使用條紋影線策略，可以將所有四個激光器組合在一起構建每個部件。
研究人員總結了以上三種激光掃描策略制造出的樣件的拉伸實驗結果，分析了每種策略下得到的16個樣件的應力-應變曲線，還包括平均斷裂延展率（在拉伸實驗機上的載荷下測量）以及方差系數（CoV），標準偏差的比率。
這些數據表明使用同樣一臺設備，在特定情況下可能制造出質量差的部件。處在其他三個激光器下風向的加工會導致部件延展性損失，這在某些情況下足以降低材料的極限拉伸強度。我們也許會直觀的認為幾個激光器之間距離小是一件不好的事情，而使熔池之間保持更遠距離將產生較好的結果。然而事實并非如此，研究人員認為使熔池緊密結合是更好的加工策略，如果每個激光器可以處理整個構建板，那么這將為人們提供靈活應用多激光器的機會。