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   2115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(gè)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(dú)立的部件，也可以協(xié)同制造一個(gè)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(shí)工作時(shí)會(huì)不會(huì)互相影響呢？激光之間的相互作用又對(duì)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(duì)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(jìn)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(huì)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(shí)會(huì)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(gè)激光器在比較近的距離內(nèi)工作時(shí)，一個(gè)激光器發(fā)射激光將影響到另一個(gè)激光器，這取決于它們?cè)诙栊詺怏w流中所處的相對(duì)位置。當(dāng)一個(gè)激光器處于另一個(gè)激光器的下風(fēng)向時(shí)，其激光束會(huì)受到上風(fēng)向激光熔融的影響。
Renishaw 曾對(duì)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(gè)缺點(diǎn)：

-非對(duì)稱構(gòu)建導(dǎo)致生產(chǎn)率降低，這是因?yàn)樵谶@種模式下，每個(gè)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(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)可能難以對(duì)準(zhǔn)，并且可能遭受相對(duì)于彼此的熱漂移，當(dāng)在較大的部件上工作時(shí)，會(huì)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(gè)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(gè)激光器都可以處理整個(gè)構(gòu)建板。這樣就可以在每個(gè)打印層中高效利用到4個(gè)激光器，最大限度的縮短構(gòu)建時(shí)間，這種設(shè)備還可以通過單個(gè)激光器對(duì)大型部件進(jìn)行邊界掃描，從而消除表面的不連續(xù)性。單個(gè)溫度控制的振鏡可防止激光器相對(duì)位置的熱漂移。均勻的氣體流動(dòng)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(jī)制的多激光器設(shè)備有一定的優(yōu)勢(shì)，但這類技術(shù)仍存在著激光器之間互“不接受”的風(fēng)險(xiǎn)。激光在惰性氣體氣流中的相對(duì)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(shí)，可以對(duì)此進(jìn)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(shí)驗(yàn)對(duì)多激光器之間的相互作用進(jìn)行了研究。在研究過程中，研究人員同時(shí)使用了4個(gè)激光器，并選擇了一個(gè)4 x 4 陣列來探索各種激光器分配選項(xiàng)，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(jī)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(jìn)行粉末材料的熔化，然后逐漸向上風(fēng)向移動(dòng)，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(jī)會(huì)。在使用多個(gè)激光器3D打印設(shè)備時(shí)，仍可以使用這種策略。在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行處理。

在進(jìn)行圓柱體樣件3D打印時(shí)，其中一種激光掃描策略是，4個(gè)激光器同時(shí)對(duì)左邊第1列（如上圖：1，5，9，13）中的中的4個(gè)樣品起作用，然后移動(dòng)到下一個(gè)色譜柱，直到每個(gè)層完成。這種激光分配選擇意味著每個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)使用4個(gè)激光器構(gòu)建每個(gè)圓柱體樣件。如果使用條紋影線策略，可以將所有四個(gè)激光器組合在一起構(gòu)建每個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了每種策略下得到的16個(gè)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(shí)驗(yàn)機(jī)上的載荷下測(cè)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(tái)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(gè)激光器下風(fēng)向的加工會(huì)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(qiáng)度。我們也許會(huì)直觀的認(rèn)為幾個(gè)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(shí)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(gè)激光器可以處理整個(gè)構(gòu)建板，那么這將為人們提供靈活應(yīng)用多激光器的機(jī)會(huì)。