如何通過多激光器3D打印技術(shù)構(gòu)建高完整性的金屬零件

魔猴君  行業(yè)資訊   2168天前

以生產(chǎn)為導(dǎo)向的多激光器金屬3D打印設(shè)備通過多個激光器來提高3D打印的生產(chǎn)效率，多重激光既可以分別制造獨立的部件，也可以協(xié)同制造一個單件大型部件。這樣的靈活性，使得3D打印生產(chǎn)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(zhì)量產(chǎn)生什么影響呢？雷尼紹公司通過其四激光器金屬3D打印設(shè)備 RenAM 500Q 對多激光器之間的相互作用，以及如何合理規(guī)劃多激光器設(shè)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(guān)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(dǎo)致材料性能下降的問題。不同金屬粉末材料所產(chǎn)生的飛濺會因尺寸、形狀和數(shù)量的不同而存在顯著差異，當(dāng)然，多激光器設(shè)備在加工時會產(chǎn)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(shè)備種，當(dāng)多個激光器在比較近的距離內(nèi)工作時，一個激光器發(fā)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(dāng)一個激光器處于另一個激光器的下風(fēng)向時，其激光束會受到上風(fēng)向激光熔融的影響。
Renishaw 曾對第一代多激光器設(shè)備如何通過分區(qū)并結(jié)合線性或發(fā)散惰性氣流來避免產(chǎn)生以上現(xiàn)象。然而這種方法存在幾個缺點：

-非對稱構(gòu)建導(dǎo)致生產(chǎn)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(wù)。
-獨立的光學(xué)系統(tǒng)可能難以對準(zhǔn)，并且可能遭受相對于彼此的熱漂移，當(dāng)在較大的部件上工作時，會導(dǎo)致重疊區(qū)域中的不連續(xù)性。
-不同的氣流導(dǎo)致整個構(gòu)建板上的熔化條件發(fā)生變化，特別是在中心區(qū)域。

而新一代多激光器3D打印設(shè)備（如雷尼紹的4激光器打印設(shè)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(gòu)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(gòu)建時間，這種設(shè)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(xù)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(tài)確保了構(gòu)建板所有區(qū)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(shè)備有一定的優(yōu)勢，但這類技術(shù)仍存在著激光器之間互“不接受”的風(fēng)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(gòu)建準(zhǔn)備期間將任務(wù)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(shè)備中，通常是在惰性氣體流的下風(fēng)向開始進行粉末材料的熔化，然后逐漸向上風(fēng)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(chǎn)生的飛濺的機會。在使用多個激光器3D打印設(shè)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(shè)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(fēng)向，激光器4始終處于其他3個激光的上風(fēng)向，激光器2和3則既處于上風(fēng)向也處于下風(fēng)向。
還有一種激光掃描策略是，同時使用4個激光器構(gòu)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(gòu)建每個部件。
研究人員總結(jié)了以上三種激光掃描策略制造出的樣件的拉伸實驗結(jié)果，分析了每種策略下得到的16個樣件的應(yīng)力-應(yīng)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(shù)（CoV），標(biāo)準(zhǔn)偏差的比率。
這些數(shù)據(jù)表明使用同樣一臺設(shè)備，在特定情況下可能制造出質(zhì)量差的部件。處在其他三個激光器下風(fēng)向的加工會導(dǎo)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(rèn)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(yuǎn)距離將產(chǎn)生較好的結(jié)果。然而事實并非如此，研究人員認(rèn)為使熔池緊密結(jié)合是更好的加工策略，如果每個激光器可以處理整個構(gòu)建板，那么這將為人們提供靈活應(yīng)用多激光器的機會。