激光選區(qū)熔化成形裝備關(guān)鍵技術(shù)探討

范有光

（上海探真激光技術(shù)有限公司 上海 200093）

金屬增材制造（又稱金屬3D打?。┦腔陔x散-堆積原理，通過零件的三維數(shù)模驅(qū)動(dòng)高能量的激光聚焦光斑逐層掃描熔化金屬粉末，并使之快速凝固堆積，形成與三維數(shù)模一致的實(shí)體零件。其技術(shù)特點(diǎn)幾乎可以制作任何復(fù)雜形狀的零件，將對(duì)傳統(tǒng)加工工藝產(chǎn)生深刻影響，是先進(jìn)制造業(yè)的顛覆技術(shù)。金屬增材制造技術(shù)根據(jù)熱源和成形方式的不同可分為多種，其中激光選區(qū)熔化成形技術(shù)SLM（Selective laser melting），是在加工過程中通過激光使粉末完全熔化，成形精度和力學(xué)性能較好控制，是目前應(yīng)用廣泛的激光增材制造技術(shù)。其原理如圖1所示。

圖1 激光選區(qū)熔化成形裝備示意圖

鋪粉裝置將送粉缸送出的金屬粉末以一定的厚度均勻鋪在成形缸上方，掃描振鏡將聚焦后的激光束按規(guī)劃掃描路徑將成形缸上方的粉末直接熔化，該層熔化完畢后成形缸再下降一個(gè)層厚，送粉缸再上升送出一個(gè)層厚的粉量，鋪粉裝置再一次將粉末鋪在成形缸上方，周而復(fù)始不斷循環(huán)直至整個(gè)零件完成。盡管 SLM 技術(shù)是金屬增材制造最先進(jìn)的代表，但 SLM 技術(shù)的終極目標(biāo)是可以一次成形滿足用戶需求的零件，即零件尺寸精度和機(jī)械性能都能直接滿足使用要求。SLM技術(shù)制作的零件致密度高達(dá) 99%以上，抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能指標(biāo)優(yōu)于鑄件，甚至可達(dá)鍛件水平。但其制作零件的尺寸精度、表面粗糙度等與傳統(tǒng)減材制造仍有很大差距，剔除激光掃描工藝影響，怎樣進(jìn)一步提高制件的精度及表面粗糙度是設(shè)備研發(fā)過程中亟需解決的問題。針對(duì)上述問題，本文重點(diǎn)對(duì) SLM 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響成形精度的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討，為提升SLM裝備成形精度提供參考。

1 關(guān)鍵技術(shù)探討

影響激光選區(qū)熔化成形裝備的成形精度主要因素有：總體結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)選擇、鋪粉移動(dòng)機(jī)構(gòu)、成形缸機(jī)構(gòu)、光路系統(tǒng)等。在進(jìn)行設(shè)備總體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些因素并全面統(tǒng)籌。

1.1 總體結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)選擇

激光選區(qū)熔化成形裝備在機(jī)械方面的關(guān)鍵幾何精度有：

（1）掃描振鏡與打印平面的平行度；

（2）鋪粉刮板相對(duì)打印平面行走的平行度；

（3）成形缸垂直升降相對(duì)打印平面運(yùn)動(dòng)的垂直度。由上可知，所有關(guān)鍵幾何精度都與打印平面有著嚴(yán)格的相互位置關(guān)系，而在設(shè)備中打印平面是由成形缸基板直接決定。

國(guó)內(nèi) SLM 設(shè)備多數(shù)采用的是多基準(zhǔn)布置，如圖2（a）所示。以設(shè)備下基面作為最原始的基準(zhǔn)，在此基準(zhǔn)上安裝基板升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)，并以基板升降機(jī)構(gòu)來確定成形缸基板（設(shè)備打印平面），同時(shí)成形腔下基面也是通過剛性機(jī)架固定在設(shè)備下基面上。而掃描振鏡及鋪粉刮板裝置的設(shè)計(jì)都是以成形腔下基面作為加工和安裝基準(zhǔn)，而此基準(zhǔn)由設(shè)備下基面間接決定。由于安裝誤差、重力或內(nèi)、外力因素導(dǎo)致形變等，兩個(gè)基準(zhǔn)分別構(gòu)成的實(shí)際平面很難重合，即激光掃描和刮板鋪粉的平面很難與基板確定的打印平面有很好的平行關(guān)系，設(shè)備無法獲得良好的幾何精度。

多基準(zhǔn)布置方式，如同堆積木，需要保證其中任一環(huán)節(jié)都有著極高的尺寸及安裝精度，才能保證自下而上關(guān)鍵幾何精度都控制在允差范圍內(nèi)，但在實(shí)際操作中很難實(shí)現(xiàn)，每個(gè)環(huán)節(jié)都影響設(shè)備精度的穩(wěn)定性。為了提高設(shè)備精度采用圖2（b）所示的單基準(zhǔn)布置，三個(gè)重要幾何精度都以成形腔下基面作為設(shè)計(jì)、加工和安裝基準(zhǔn)，就很容易保證設(shè)備的關(guān)鍵幾何精度：

（1）掃描振鏡與打印平面的平行度，可以通過精密機(jī)床一次加工成形腔安裝基面來保證精度；

（2）鋪粉刮板相對(duì)打印平面行走的平行度是以成形腔下基面為安裝基準(zhǔn)，只需按要求安裝即可；

（3）成形缸垂直升降相對(duì)打印平面運(yùn)動(dòng)的垂直度是通過特殊設(shè)計(jì)的聯(lián)結(jié)體聯(lián)結(jié)保證精度的，聯(lián)結(jié)體將成形缸和基板升降機(jī)構(gòu)集成為一體，都由精加工保證，同時(shí)聯(lián)結(jié)體通過其上方精密加工的安裝面與成形腔下基面進(jìn)行剛性聯(lián)結(jié)。

圖2 總體布局結(jié)構(gòu)示意圖

單基準(zhǔn)布置方式使影響設(shè)備精度的關(guān)鍵部件都聯(lián)結(jié)為一體，不僅保證了相對(duì)位置的精度，又保證了設(shè)備長(zhǎng)期使用的精度穩(wěn)定性。關(guān)鍵部件聯(lián)結(jié)為一體其自身的重力變形是恒定的，工作時(shí)受到的力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力而消除，設(shè)備精度的可重復(fù)性也大大提高。同時(shí)設(shè)備精度不受地面水平好壞的影響，采用簡(jiǎn)易機(jī)架支撐設(shè)備即可，安裝調(diào)整更為方便。

1.2 鋪粉移動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在激光選區(qū)熔化成形裝備中，金屬粉末鋪設(shè)的平整、均勻性將直接影響到零件逐層打印成形過程中每層實(shí)體x、y二維平面上各點(diǎn)與同層數(shù)模對(duì)應(yīng)各點(diǎn)，在空間高度z向上理論位置的偏差大小，從而影響零件輪廓各點(diǎn)在三維空間上的成形精度。因此鋪粉移動(dòng)裝置水平運(yùn)動(dòng)相對(duì)基板的平行度至關(guān)重要，其所能達(dá)到的精度及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性將直接決定零件的成形精度。

為了得到更好的成形精度和成形穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了一套高精、高穩(wěn)定性的鋪粉移動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)如圖3所示。整套裝置主要由左、右鋪粉移動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。鋪粉移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由安裝板、直線導(dǎo)軌、移動(dòng)滑座及主、從帶輪組件組成。其中從動(dòng)帶輪組件可以通過調(diào)整左右位置實(shí)現(xiàn)對(duì)同步帶的張緊。直線導(dǎo)軌通過安裝板上精密加工的定位面和輔助楔塊精確固定在安裝板上，保證了線軌安裝的基礎(chǔ)精度，移動(dòng)滑座固定在線軌移動(dòng)滑塊上，同時(shí)通過兩個(gè)皮帶壓緊塊與緊套在主、從動(dòng)輪上的皮帶聯(lián)結(jié)。左、右移動(dòng)機(jī)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過中間的聯(lián)軸器將主動(dòng)帶輪的出軸聯(lián)為一體，保證了左右鋪粉軸同步運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)經(jīng)減速器與一側(cè)的主動(dòng)帶輪聯(lián)接軸直連，將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為左、右同步帶的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鋪粉刮板跟隨同步帶一起前后運(yùn)動(dòng)，完成打印過程的鋪粉動(dòng)作。

圖3 鋪粉移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

鋪粉移動(dòng)裝置的左、右安裝板具有良好的加工工藝性，并且整套裝置安裝簡(jiǎn)單，而系統(tǒng)的精度主要取決于直線導(dǎo)軌的行走精度，即鋪粉精度可以通過選用高精度的直線導(dǎo)軌保證。在基板上方前后移動(dòng)的鋪粉刮板兩端分別與左、右移動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑座聯(lián)結(jié)，形成龍門框架結(jié)構(gòu)，提高了鋪粉刮板的運(yùn)動(dòng)剛性，增強(qiáng)了刮板行走過程中突遇燒結(jié)高點(diǎn)的穩(wěn)定性，同時(shí)左、右移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的直線導(dǎo)軌可以均化刮板行走的誤差，進(jìn)一步提高鋪粉精度。

1.3 成形缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在激光選區(qū)熔化成形裝備中，每層鋪粉的厚度是影響制件成形精度的關(guān)鍵因素之一，由于層厚的存在，成形后的實(shí)體表面會(huì)產(chǎn)生明顯的“臺(tái)階效應(yīng)”。Strano等研究了臺(tái)階效應(yīng)對(duì)側(cè)壁成形精度的影響[1]。尤其對(duì)于曲面零件，層厚將直接影響成形零件的表面質(zhì)量和成形精度。隨著單層層厚的增加，曲面件的臺(tái)階效應(yīng)會(huì)更加明顯，使得制件精度出現(xiàn)很大偏差。因此特別是零件曲面，只要層厚足夠小且均勻，就能有效提高曲面的成形精度。目前多數(shù)增材制造裝備的最小打印層厚為 20μm，為了大幅提高設(shè)備曲面成形精度，降低打印過程中的臺(tái)階效應(yīng)，本文設(shè)計(jì)了一套用于 SLM 設(shè)備的成形缸及精密升降機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 成形缸及升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

整套成形缸系統(tǒng)主要由左側(cè)的基板升降導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及右側(cè)的升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)組成。左側(cè)成形缸體內(nèi)部形成金屬粉床并可容納激光成形的制件，基板組件類似成形缸體內(nèi)的活塞與升降導(dǎo)軌剛性聯(lián)結(jié)，并在升降導(dǎo)軌座內(nèi)側(cè)直線導(dǎo)軌的作用下可上下移動(dòng)。右側(cè)滾珠絲杠通過兩端的絲杠支撐軸承組件固定在成形缸支架體安裝孔上，絲杠上端通過聯(lián)軸器與伺服減速器及電機(jī)剛性聯(lián)結(jié)。絲杠上的絲母通過絲母托架與左側(cè)的導(dǎo)軌支撐桿剛性聯(lián)結(jié)，保證右側(cè)的絲母進(jìn)給與左側(cè)的成形基板同步運(yùn)動(dòng)。

滾珠絲杠通過最下端的鎖緊螺母進(jìn)行預(yù)拉伸。因?yàn)榧す馊刍饘俜勰r(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，造成設(shè)備附近升溫，同時(shí)滾珠絲杠工作也會(huì)發(fā)熱。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，在數(shù)控機(jī)床所有誤差中，滾珠絲杠副的發(fā)熱所導(dǎo)致的絲杠伸長(zhǎng)是定位誤差的主要來源[2]。為了補(bǔ)償因絲杠熱伸長(zhǎng)而引起的定位精度誤差，采用絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱伸長(zhǎng)量。當(dāng)絲杠受熱伸長(zhǎng)后，預(yù)拉伸量可以抵消熱伸長(zhǎng)量，絲杠內(nèi)部應(yīng)力下降，但螺紋總長(zhǎng)及螺距精度不變，減少了絲杠熱伸長(zhǎng)造成的精度影響。

絲杠預(yù)拉伸量按細(xì)長(zhǎng)軸熱伸長(zhǎng)量計(jì)算：

式（1）中：ΔL為熱伸長(zhǎng)量，m；α為線膨脹系數(shù)，鋼取12×10?6/℃；L為支撐軸承跨距，m；Δt為絲杠溫升，℃。代入設(shè)備相關(guān)參數(shù)：

絲杠的拉伸力為：

式（2）中：F為拉伸力，N；E為彈性模量，鋼取2×1011N/m2；A為軸截面積，m2。代入設(shè)備相關(guān)參數(shù)：

同時(shí)，絲杠采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛性，不會(huì)因?yàn)檩d荷的突變而影響定位誤差。設(shè)備基板升降滾珠絲杠采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)提高了成形缸升降系統(tǒng)的定位精度并可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的分層打印，大大提高了成形制件的精度。

1.4 光路系統(tǒng)優(yōu)化

在激光選區(qū)熔化成形裝備的光路系統(tǒng)中，對(duì)制件成形精度和質(zhì)量影響最大的兩個(gè)參數(shù)是激光聚焦光斑大小和能量密度。在相同激光功率下，光斑直徑越小能量密度也就越高。理論上聚焦光斑直徑越小可以掃描成形的精度越高，細(xì)節(jié)越突出，同時(shí)能量密度越高，熔化成形制件的致密度和機(jī)械性能也越高。

通常在成形幅面較小的設(shè)備中，采用 F-Theta透鏡的物鏡前掃描方式，其聚焦為一個(gè)平面，在此聚焦平面上的光斑大小基本一致。所謂F-Theta鏡，是為了實(shí)現(xiàn)等速掃描，具有一定的負(fù)畸變，實(shí)際像高比幾何光學(xué)確定的理想像高小,并與掃描角θ成線性關(guān)系，即經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)，使像高與掃描角滿足關(guān)系式y(tǒng)=f×θ的鏡頭，因此F-Theta鏡又稱線性鏡頭[3]。采用F-Theta鏡的設(shè)備掃描邏輯較簡(jiǎn)單，并可得到均勻掃描速度和大小一致的光斑。

如圖5所示，激光束經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束后，經(jīng)振鏡掃描偏轉(zhuǎn)后進(jìn)入 F-Theta透鏡，并由透鏡將激光聚焦在焦平面上。激光束在焦平面上聚焦光斑的位置通過振鏡的X、Y軸鏡片偏轉(zhuǎn)改變?nèi)肷浼す馐c透鏡法線夾角θ來實(shí)現(xiàn)。理論上，可以通過控制振鏡X、Y軸鏡片的相互插補(bǔ)偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)焦平面上任意復(fù)雜圖形的掃描。

圖5 物鏡前掃描方式原理圖

為實(shí)現(xiàn)掃描的高精度，首先需對(duì)光路的光斑大小進(jìn)行估算及優(yōu)化設(shè)計(jì)。通用的光路系統(tǒng)選型資料對(duì)聚焦光斑大小的計(jì)算都比較籠統(tǒng)，且沒有對(duì)非標(biāo)選型的指導(dǎo)，對(duì)于非光學(xué)專業(yè)的設(shè)備開發(fā)工程師來說不具常規(guī)指導(dǎo)意義，本文從通用資料中整理并推導(dǎo)出適合估算光斑大小并用于參數(shù)優(yōu)化的公式，以供參考。

影響聚焦光斑大小的因素主要有：a—光束質(zhì)量（M2）；b—球差；c—衍射。激光光束質(zhì)量由激光器自身決定，設(shè)備采用物鏡前掃描方式，其中F-Theta鏡工作于單個(gè)激光波長(zhǎng)，由于其相對(duì)孔徑很小，球差影響很小[4]。所以估算聚焦光斑直徑主要考慮衍射作用影響即可，其表達(dá)式為：

式中：dF為聚焦光斑直徑μm；dL為光束直徑，mm； λ為光束波長(zhǎng)，nm； f＇為透鏡焦距，mm； APO為切趾因子；M2為光束質(zhì)量，常規(guī)M2≤ 1.05。

其中切趾因子是在衍射效應(yīng)發(fā)生時(shí)孔徑邊緣光強(qiáng)分布對(duì)聚焦光斑大小的影響，與截?cái)啾萒在0.7～1的范圍內(nèi)近似成線性比例關(guān)系，根據(jù)測(cè)算其表達(dá)式為：

截?cái)啾仍诩す鈷呙柘到y(tǒng)中為入射光束直徑與系統(tǒng)通光孔徑的比值，其表達(dá)式為：

將式（4）、式（5）同時(shí)代入式（3），得到激光振鏡掃描系統(tǒng)當(dāng)截?cái)啾龋═）在0.7～1范圍內(nèi),聚焦光斑直徑估算公式：

式中：dEP為掃描系統(tǒng)通光孔徑，mm。

從式（6）可以看出，聚焦光斑直徑大小和光路系統(tǒng)的波長(zhǎng)、光束質(zhì)量及透鏡焦距成正比，與掃描系統(tǒng)通光孔徑成反比。SLM設(shè)備考慮到材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收效率及更好的光斑聚焦質(zhì)量，一般選用光纖激光器，其波長(zhǎng)為1070 nm，光束質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值為1.05。透鏡焦距主要和設(shè)備打印幅面有關(guān)，能成熟應(yīng)用在金屬3D打印設(shè)備中的F-Theta場(chǎng)鏡型號(hào)有限，當(dāng)設(shè)備的掃描范圍確定后，按照最小原則，此參數(shù)即可確定，本設(shè)備根據(jù)掃描范圍選用場(chǎng)鏡的有效焦距為277 mm。根據(jù)估算式（6）可得出，除掃描系統(tǒng)通光孔徑外，其它參數(shù)原則上都是確定項(xiàng)。通常dEP是由掃描振鏡的入射孔徑?jīng)Q定的，一般200 W以下的SLM設(shè)備根據(jù)功率選用的振鏡入射孔徑都在15 mm左右，此時(shí)的聚焦光斑直徑估算為40 μm。若選用價(jià)格、外形相差不多的20 mm入射孔徑的振鏡，則此時(shí)聚焦光斑直徑估算為30 μm，光斑直徑縮小約1/4，將大大提高設(shè)備掃描成形的精細(xì)程度。

2 結(jié)語

本文對(duì)激光選區(qū)熔化成形裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響成形精度的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，通過樣機(jī)設(shè)備的長(zhǎng)期使用，結(jié)果表明：(1)單基準(zhǔn)布局方式比多基準(zhǔn)布局方式在裝配調(diào)整、運(yùn)行精度及精度保持性等方面都有優(yōu)勢(shì)；(2)鋪粉刮板相對(duì)打印基板行走平行度不大于0.01mm，且精度重復(fù)性好；(3)由于成形缸升降絲杠采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，最小升降層厚可達(dá)5 μm，且當(dāng)長(zhǎng)期打印溫度升高時(shí)能夠保持精度穩(wěn)定；(4)利用推導(dǎo)出的聚焦光斑直徑估算公式得出的光斑大小與實(shí)測(cè)值相差不到10%，比同規(guī)格設(shè)備光斑直徑縮小近20%，曲面成形質(zhì)量更好。以上應(yīng)用可以為增材制造裝備開發(fā)設(shè)計(jì)人員提供借鑒作用。