大型金屬增材制造裝備開發與技術探討＊

王冠博，李建杰，何剛文，馬治博，羅倩菲，邵乙迪，張士亨

（季華實驗室新型增材制造研究院，廣東 佛山 528000）

增材制造（3D 打印）技術被譽為將引領“第三次工業革命”的關鍵技術之一，近年來在各個領域不斷取得重大突破，在推動傳統工業體系分化變革的同時，也在重塑制造業國際分工格局。

1 研究背景

近年來，金屬3D 打印的技術及市場應用得到突飛猛進的發展[1]，而整個金屬3D 打印領域，也有一個明顯的趨勢：在航空航天和軍工的市場需求下，打印體積越來越大[2]。全球范圍內金屬3D 打印機制造商，包括鉑力特、EOS、SLM Solutions、Concept Laser 等世界著名企業推出的重量級設備均越來越大，逐步解決大型復雜金屬結構件難以生產的問題，和中小型工業級SLM（Selective Laser Melting）金屬3D 打印比，大型金屬3D 打印機不僅成形尺寸大幅增大，成形效率大幅提高，且生產成本成倍數下降，因此能更廣泛地應用在航空航天、軍工、模具、醫療和汽車行業等領域。然而，在大尺寸SLM 裝備開發過程中也存在著諸多挑戰[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，其倉內風場結構設計將面臨復雜的技術挑戰，同時在通過增加光學系統數量換取提高設備打印效率的前提下，在多激光同時工作的打印情況下，激光燒結所產生的大量煙塵顆粒同樣給設備風場帶來更大的負擔；在多激光協同工作的前提下，保證多激光光源的光斑一致性及精準搭接，在設備開發過程中同樣存在諸多需要解決的技術難題；從控制角度出發，往往大尺寸設備為完成一個大尺寸零件的打印任務需要花費數日甚至數月的時間，通過一層層切片堆疊起來的數萬層切片數據，需要通過設備長時間穩定掃描完成，每層厚30～100 μm，不得有半點誤差，因此在整機的邏輯控制層面及對設備的穩定性都有著極高的要求。

2 研發實施重點及方法

2.1 大尺寸金屬3D 打印設備風場結構設計

設備風場的作用在于有效清除打印過程中打印倉體內激光燒結所產生飛濺、煙塵及金屬蒸汽等不利于金屬成形的污染物，并形成用于保護振鏡區域和元器件的保護層，從而有效確保3D 打印加工質量[5]，因此設備風場的表現對成形質量起到至關重要的作用[6]。通過實際應用分析及具體仿真設計，采用多流道分流風路結構方案，如圖1 所示。

圖1 多流道分流風路結構

將進風口布局在打印倉室右側的上下位置，分別為水平氣體入口及斜向氣體入口，分別對應打印平面及振鏡位置，利用過濾器端風機所產生的新風將各自區域所產生或存在的煙塵吹走。同時在水平氣體入口后端設計安置均布圓孔擋板，主要作用在于配合風口中的翅片式流道設計，將點氣源盡可能地轉換成線氣源，并使之均勻化，并且在斜向氣體入口后端設計安置3 向分流裝置，主要作用在于將上端的風道一分為三，具體如下：①吹向振鏡保護鏡片位置，防止煙塵污染到振鏡保護玻璃；②以45°斜向水平氣體出口位置，輔助將燒結過程中所產生的煙塵吹向出風口位置；③以垂直水平氣體入口位置向下吹入氣體，避免打印過程中煙塵在打印倉側壁駐留并粘貼在表面。

通過仿真模擬計算，其結果呈現出較為理想狀態，如圖2 所示。水平方向的風速顯示較為均勻，在橫向的各位置并沒有過多的風速差異，同時在斜向送風口位置，其主要風量出現在斜45°向排風口位置，次要風量呈現在保護振鏡保護鏡片位置，并且在打印倉側壁位置，同樣會產生一小部分風量來確保側壁清潔。最終通過實際測試，實測在基板不同位置25 個點的風速值及實際打印過程所呈現的情況，基本符合設計要求，可以將打印過程中所產生的絕大部分煙塵帶走。風速測試及實際打印情況如圖3 所示。

圖2 多流道分流風路流場仿真

圖3 風速測試及實際打印情況

2.2 大尺寸金屬3D 打印設備多激光掃描搭接

在提升設備打印效率的前提下，增加激光光源數量對提高設備打印效率能起到最為直接的作用[7]，但是將多激光精準搭接同樣面臨較為復雜的難題[8]。在設備開發調試階段，首先通過將各自光路的焦點位置調節到所設計高度，然后利用二次元光學影像系統將各自光路以網格化方式進行打印區域范圍內的自校準，再通過擬不同光路打印不同形狀的圖案并進行類似“靠攏”的方式進行測試及補償，其核心思路在于將其中一個光路作為基準，將補償其他光路與基準光路所產生的位置誤差，通過多次校準迭代完成最終多激光精準搭接的目的，如圖4 所示。

圖4 單光路及多激光搭接校準

通常情況，在機械層面安裝過程中并無過大誤差條件下，往往通過1～2 次搭接校準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程中，因光學掃描位置差異所導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在光斑的圓度、尺寸及光束質量方面，對于掃描線長及掃描間距等參數起到至關重要的影響作用。圖5 為雙激光器功率校準前后的情況，在激光器出廠時或長時間使用后，激光器的功率往往會出現不同程度的波動和不一致，因此校準激光器的功率，確保多激光在燒結過程中各自光路激光功率的一致性同樣重要。

圖5 多激光功率校準結果

光斑尺寸往往關系著設備可成形最小尺寸精度，對于大尺寸金屬3D 打印設備來說，光斑尺寸往往設定在80～100 μm 之間[9]。在光路設計初期，當選用二軸振鏡時，光路搭配往往包含了激光器、準直鏡、擴束鏡、二軸振鏡及場鏡等，可通過調節擴束鏡的設定值，來調節光斑尺寸的大小；同樣在光路設計初期，當選用三軸振鏡時，也就是所謂的動態聚焦系統，那么光路搭配往往包含了激光器、準直鏡、動態聚焦系統及振鏡，其原理是通過利用動態聚焦系統相對較長的瑞利長度，可以在一定范圍內調節光斑的尺寸，同樣達到相對較好的效果[10-12]。對于光斑形貌及光束質量的測量，往往要利用專業的光斑分析儀等測量工具，其方法在于首先確定好焦平面的位置，將激光攝入測量儀器中，通過在X軸及Y軸方向測得的尺寸，最終形成光斑形貌的具體樣式；同時利用聚焦離焦不同狀態下測量的數據，最終擬合得出光束質量的結果。

3 結束語

本文闡述了佛山季華實驗室下屬新型增材制造研究院所自主開發的大尺寸金屬增材制造裝備關于風場及光學校準方面的過程經驗。中國金屬增材制造產業尚未形成“材料—工藝—裝備—應用”的科研和制造的完整產業鏈，還處于對材料、打印裝備和打印工藝參數的研究和積累階段，因此加快提升和完善大尺寸金屬增材制造裝備及相關工藝水平，對實現中國在高端制造領域的市場化、規模化有著相當重要的意義。并且季華實驗室新型增材制造研究院力爭結合團隊工藝材料開發和金屬粉末霧化裝備及工藝研發平臺，盡早實現以覆蓋核心技術鏈為研發中心、以科研為基礎、以工程化及應用化為目標導向、以佛山本土先進制造為極核，共同引領粵港澳大灣區增材制造技術快速發展的美好愿景。