大型金屬增材制造裝備開(kāi)發(fā)與技術(shù)探討＊

王冠博，李建杰，何剛文，馬治博，羅倩菲，邵乙迪，張士亨

（季華實(shí)驗(yàn)室新型增材制造研究院，廣東 佛山 528000）

增材制造（3D 打?。┘夹g(shù)被譽(yù)為將引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域不斷取得重大突破，在推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)體系分化變革的同時(shí)，也在重塑制造業(yè)國(guó)際分工格局。

1 研究背景

近年來(lái)，金屬3D 打印的技術(shù)及市場(chǎng)應(yīng)用得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]，而整個(gè)金屬3D 打印領(lǐng)域，也有一個(gè)明顯的趨勢(shì)：在航空航天和軍工的市場(chǎng)需求下，打印體積越來(lái)越大[2]。全球范圍內(nèi)金屬3D 打印機(jī)制造商，包括鉑力特、EOS、SLM Solutions、Concept Laser 等世界著名企業(yè)推出的重量級(jí)設(shè)備均越來(lái)越大，逐步解決大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件難以生產(chǎn)的問(wèn)題，和中小型工業(yè)級(jí)SLM（Selective Laser Melting）金屬3D 打印比，大型金屬3D 打印機(jī)不僅成形尺寸大幅增大，成形效率大幅提高，且生產(chǎn)成本成倍數(shù)下降，因此能更廣泛地應(yīng)用在航空航天、軍工、模具、醫(yī)療和汽車行業(yè)等領(lǐng)域。然而，在大尺寸SLM 裝備開(kāi)發(fā)過(guò)程中也存在著諸多挑戰(zhàn)[3-4]，具體如下。

隨著成形體積的大幅度提高，打印幅面大幅度變大，其倉(cāng)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將面臨復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)在通過(guò)增加光學(xué)系統(tǒng)數(shù)量換取提高設(shè)備打印效率的前提下，在多激光同時(shí)工作的打印情況下，激光燒結(jié)所產(chǎn)生的大量煙塵顆粒同樣給設(shè)備風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)更大的負(fù)擔(dān)；在多激光協(xié)同工作的前提下，保證多激光光源的光斑一致性及精準(zhǔn)搭接，在設(shè)備開(kāi)發(fā)過(guò)程中同樣存在諸多需要解決的技術(shù)難題；從控制角度出發(fā)，往往大尺寸設(shè)備為完成一個(gè)大尺寸零件的打印任務(wù)需要花費(fèi)數(shù)日甚至數(shù)月的時(shí)間，通過(guò)一層層切片堆疊起來(lái)的數(shù)萬(wàn)層切片數(shù)據(jù)，需要通過(guò)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定掃描完成，每層厚30～100 μm，不得有半點(diǎn)誤差，因此在整機(jī)的邏輯控制層面及對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性都有著極高的要求。

2 研發(fā)實(shí)施重點(diǎn)及方法

2.1 大尺寸金屬3D 打印設(shè)備風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備風(fēng)場(chǎng)的作用在于有效清除打印過(guò)程中打印倉(cāng)體內(nèi)激光燒結(jié)所產(chǎn)生飛濺、煙塵及金屬蒸汽等不利于金屬成形的污染物，并形成用于保護(hù)振鏡區(qū)域和元器件的保護(hù)層，從而有效確保3D 打印加工質(zhì)量[5]，因此設(shè)備風(fēng)場(chǎng)的表現(xiàn)對(duì)成形質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用[6]。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用分析及具體仿真設(shè)計(jì)，采用多流道分流風(fēng)路結(jié)構(gòu)方案，如圖1 所示。

圖1 多流道分流風(fēng)路結(jié)構(gòu)

將進(jìn)風(fēng)口布局在打印倉(cāng)室右側(cè)的上下位置，分別為水平氣體入口及斜向氣體入口，分別對(duì)應(yīng)打印平面及振鏡位置，利用過(guò)濾器端風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的新風(fēng)將各自區(qū)域所產(chǎn)生或存在的煙塵吹走。同時(shí)在水平氣體入口后端設(shè)計(jì)安置均布圓孔擋板，主要作用在于配合風(fēng)口中的翅片式流道設(shè)計(jì)，將點(diǎn)氣源盡可能地轉(zhuǎn)換成線氣源，并使之均勻化，并且在斜向氣體入口后端設(shè)計(jì)安置3 向分流裝置，主要作用在于將上端的風(fēng)道一分為三，具體如下：①吹向振鏡保護(hù)鏡片位置，防止煙塵污染到振鏡保護(hù)玻璃；②以45°斜向水平氣體出口位置，輔助將燒結(jié)過(guò)程中所產(chǎn)生的煙塵吹向出風(fēng)口位置；③以垂直水平氣體入口位置向下吹入氣體，避免打印過(guò)程中煙塵在打印倉(cāng)側(cè)壁駐留并粘貼在表面。

通過(guò)仿真模擬計(jì)算，其結(jié)果呈現(xiàn)出較為理想狀態(tài)，如圖2 所示。水平方向的風(fēng)速顯示較為均勻，在橫向的各位置并沒(méi)有過(guò)多的風(fēng)速差異，同時(shí)在斜向送風(fēng)口位置，其主要風(fēng)量出現(xiàn)在斜45°向排風(fēng)口位置，次要風(fēng)量呈現(xiàn)在保護(hù)振鏡保護(hù)鏡片位置，并且在打印倉(cāng)側(cè)壁位置，同樣會(huì)產(chǎn)生一小部分風(fēng)量來(lái)確保側(cè)壁清潔。最終通過(guò)實(shí)際測(cè)試，實(shí)測(cè)在基板不同位置25 個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速值及實(shí)際打印過(guò)程所呈現(xiàn)的情況，基本符合設(shè)計(jì)要求，可以將打印過(guò)程中所產(chǎn)生的絕大部分煙塵帶走。風(fēng)速測(cè)試及實(shí)際打印情況如圖3 所示。

圖2 多流道分流風(fēng)路流場(chǎng)仿真

圖3 風(fēng)速測(cè)試及實(shí)際打印情況

2.2 大尺寸金屬3D 打印設(shè)備多激光掃描搭接

在提升設(shè)備打印效率的前提下，增加激光光源數(shù)量對(duì)提高設(shè)備打印效率能起到最為直接的作用[7]，但是將多激光精準(zhǔn)搭接同樣面臨較為復(fù)雜的難題[8]。在設(shè)備開(kāi)發(fā)調(diào)試階段，首先通過(guò)將各自光路的焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)到所設(shè)計(jì)高度，然后利用二次元光學(xué)影像系統(tǒng)將各自光路以網(wǎng)格化方式進(jìn)行打印區(qū)域范圍內(nèi)的自校準(zhǔn)，再通過(guò)擬不同光路打印不同形狀的圖案并進(jìn)行類似“靠攏”的方式進(jìn)行測(cè)試及補(bǔ)償，其核心思路在于將其中一個(gè)光路作為基準(zhǔn)，將補(bǔ)償其他光路與基準(zhǔn)光路所產(chǎn)生的位置誤差，通過(guò)多次校準(zhǔn)迭代完成最終多激光精準(zhǔn)搭接的目的，如圖4 所示。

圖4 單光路及多激光搭接校準(zhǔn)

通常情況，在機(jī)械層面安裝過(guò)程中并無(wú)過(guò)大誤差條件下，往往通過(guò)1～2 次搭接校準(zhǔn)即可將搭接精度大幅度提高。搭接精度的提高意味著滿幅面打印過(guò)程中，因光學(xué)掃描位置差異所導(dǎo)致的精度及成形誤差減少。在搭接精度控制在成形要求條件下，光斑一致性及激光一致性同樣非常重要，光斑一致性主要表現(xiàn)在光斑的圓度、尺寸及光束質(zhì)量方面，對(duì)于掃描線長(zhǎng)及掃描間距等參數(shù)起到至關(guān)重要的影響作用。圖5 為雙激光器功率校準(zhǔn)前后的情況，在激光器出廠時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間使用后，激光器的功率往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)和不一致，因此校準(zhǔn)激光器的功率，確保多激光在燒結(jié)過(guò)程中各自光路激光功率的一致性同樣重要。

圖5 多激光功率校準(zhǔn)結(jié)果

光斑尺寸往往關(guān)系著設(shè)備可成形最小尺寸精度，對(duì)于大尺寸金屬3D 打印設(shè)備來(lái)說(shuō)，光斑尺寸往往設(shè)定在80～100 μm 之間[9]。在光路設(shè)計(jì)初期，當(dāng)選用二軸振鏡時(shí)，光路搭配往往包含了激光器、準(zhǔn)直鏡、擴(kuò)束鏡、二軸振鏡及場(chǎng)鏡等，可通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的設(shè)定值，來(lái)調(diào)節(jié)光斑尺寸的大小；同樣在光路設(shè)計(jì)初期，當(dāng)選用三軸振鏡時(shí)，也就是所謂的動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，那么光路搭配往往包含了激光器、準(zhǔn)直鏡、動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)及振鏡，其原理是通過(guò)利用動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)相對(duì)較長(zhǎng)的瑞利長(zhǎng)度，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光斑的尺寸，同樣達(dá)到相對(duì)較好的效果[10-12]。對(duì)于光斑形貌及光束質(zhì)量的測(cè)量，往往要利用專業(yè)的光斑分析儀等測(cè)量工具，其方法在于首先確定好焦平面的位置，將激光攝入測(cè)量?jī)x器中，通過(guò)在X軸及Y軸方向測(cè)得的尺寸，最終形成光斑形貌的具體樣式；同時(shí)利用聚焦離焦不同狀態(tài)下測(cè)量的數(shù)據(jù)，最終擬合得出光束質(zhì)量的結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了佛山季華實(shí)驗(yàn)室下屬新型增材制造研究院所自主開(kāi)發(fā)的大尺寸金屬增材制造裝備關(guān)于風(fēng)場(chǎng)及光學(xué)校準(zhǔn)方面的過(guò)程經(jīng)驗(yàn)。中國(guó)金屬增材制造產(chǎn)業(yè)尚未形成“材料—工藝—裝備—應(yīng)用”的科研和制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈，還處于對(duì)材料、打印裝備和打印工藝參數(shù)的研究和積累階段，因此加快提升和完善大尺寸金屬增材制造裝備及相關(guān)工藝水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)中國(guó)在高端制造領(lǐng)域的市場(chǎng)化、規(guī)?；兄喈?dāng)重要的意義。并且季華實(shí)驗(yàn)室新型增材制造研究院力爭(zhēng)結(jié)合團(tuán)隊(duì)工藝材料開(kāi)發(fā)和金屬粉末霧化裝備及工藝研發(fā)平臺(tái)，盡早實(shí)現(xiàn)以覆蓋核心技術(shù)鏈為研發(fā)中心、以科研為基礎(chǔ)、以工程化及應(yīng)用化為目標(biāo)導(dǎo)向、以佛山本土先進(jìn)制造為極核，共同引領(lǐng)粵港澳大灣區(qū)增材制造技術(shù)快速發(fā)展的美好愿景。