深度揭秘華曙高科多激光金屬增材制造成功之道

來源：華曙高科

經(jīng)過幾十年的蓬勃發(fā)展，金屬3D打印技術(shù)已日趨成熟，在齒科、航空航天、醫(yī)療、模具等行業(yè)已初步形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。在該技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中，“成本和效率”問題逐漸變得突出，尤其是所需打印的零件越來越大，設(shè)備打印幅面也隨之?dāng)U大，單激光打印時間變得越來越長，因此亟需尋找解決辦法來降低生產(chǎn)制造成本，提高單位時間內(nèi)的生產(chǎn)效率。

金屬3D打印的主要的成本構(gòu)成有設(shè)備折舊、粉末成本、耗材、人工、后處理費用、水電氣、場地等。提升打印效率的主要方法有采用多激光提高掃描效率，縮短單層鋪粉時間，采用大層厚工藝參數(shù)以及掃描策略上的優(yōu)化等。

在“成本和效率”問題上，工業(yè)級3D打印領(lǐng)航企業(yè)華曙高科給出了自己的解決方案，在給客戶提供高性價比的設(shè)備同時也不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新以提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，為客戶創(chuàng)造更多價值。自2019以來，華曙高科中大型、多激光金屬設(shè)備的訂單和裝機量均顯著增長，經(jīng)歷了產(chǎn)業(yè)化客戶的驗證。本期我們重點介紹華曙高科的提效降本技術(shù)之一 —— 多激光技術(shù)。

采用多激光打印并不是簡單的激光器、掃描振鏡在數(shù)量上的疊加，只有當(dāng)多個激光之間的激光一致性問題、掃描振鏡搭接校準(zhǔn)問題、搭接穩(wěn)定性問題、多激光掃描任務(wù)分配問題等得到徹底解決才能形成穩(wěn)定的高品質(zhì)高效率的多激光增材制造系統(tǒng)。

高品質(zhì)、高效率的多激光增材制造系統(tǒng)

激光一致性問題
激光的一致性主要包含兩方面，一方面是光斑形態(tài)及尺寸，另一方面是激光功率。

華曙設(shè)備的光路系統(tǒng)為全自主研發(fā)，包含了光學(xué)系統(tǒng)整體設(shè)計、光學(xué)元器件的選型（源自高端知名品牌），安裝調(diào)試等。

憑借過硬的研發(fā)實力和超過10年的工程應(yīng)用經(jīng)驗，華曙能夠?qū)⒍嗉す庠O(shè)備的不同激光的光斑形態(tài)基本調(diào)至一致，光斑尺寸偏差控制在±3μm以內(nèi)。

下圖為用光束質(zhì)量分析儀在華曙FS421雙激光設(shè)備上所測得的前后激光光斑形態(tài)測量圖。

△前激光光斑形態(tài)

△后激光光斑形態(tài)

依靠華曙自主研發(fā)的激光功率校準(zhǔn)軟件和測試工裝可方便快捷進(jìn)行校準(zhǔn)，經(jīng)校準(zhǔn)后不同激光之間的功率偏差可控制在3W以內(nèi)，F(xiàn)S421M雙激光的功率校準(zhǔn)結(jié)果如下圖所示：

△前激光功率校準(zhǔn)

△后激光功率校準(zhǔn)

掃描振鏡搭接校準(zhǔn)問題
掃描振鏡是激光選區(qū)熔化成型設(shè)備的首要核心部件，成型精度主要是通過它來保證的。通過計算機系統(tǒng)與振鏡運動控制卡來控制振鏡進(jìn)行指令角度的偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)激光束在指定位置進(jìn)行精確掃描。

在振鏡系統(tǒng)中，從理論上來講其偏轉(zhuǎn)角與平面坐標(biāo)之間有著固有的非線性映射關(guān)系，再加上光學(xué)元器件本身存在制造誤差、裝調(diào)過程中也存在誤差，這些都會給系統(tǒng)帶來“枕形畸變”、“桶形畸變”和“枕桶形復(fù)合畸變”等靜態(tài)誤差；同時電子傳輸線路中的殘留噪聲、模擬電壓漂移也會帶來一些系統(tǒng)和隨機的動態(tài)誤差，因此必須進(jìn)行振鏡校準(zhǔn)來保證成型精度。華曙高科自主研發(fā)了整套振鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)，可方便快捷的實現(xiàn)振鏡掃描位置精度的精確校準(zhǔn)。

在單個振鏡系統(tǒng)校準(zhǔn)之后，在多激光的掃描重合區(qū)域還需要進(jìn)行搭接校準(zhǔn)，目的是為了讓多個激光器在掃描位于搭接區(qū)域的同一位置時能夠盡可能的重合。在實際掃描過程中如出現(xiàn)偏差，則通過平移加旋轉(zhuǎn)操作便可將兩個激光的掃描線重合。

△搭接校調(diào)原理示意圖

針對搭接校準(zhǔn)這一難題，華曙也自主研發(fā)了多激光自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，包含傳感器等硬件工裝以及相應(yīng)的搭接矯正軟件，軟件自動讀取測試數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行計算偏差和校正。

該套系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠極大的減少調(diào)試步驟，減輕調(diào)試人員的工作量，提高準(zhǔn)確性的同時也能顯著提高校準(zhǔn)效率。經(jīng)長期、多臺設(shè)備綜合驗證測試，通過該套系統(tǒng)搭接校準(zhǔn)精度可以穩(wěn)定控制在0.05mm以內(nèi)，滿足航空航天客戶的質(zhì)量要求。

△多激光自動搭接校準(zhǔn)系統(tǒng)原理示意圖

搭接穩(wěn)定性問題
在完成多激光區(qū)域的搭接校準(zhǔn)之后，通常用戶還關(guān)心一個問題——搭接效果能夠維持多長時間保持不變？

一個好的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計再加上使用過程中的正常維護(hù)，按理來說搭接在相當(dāng)長一段時間內(nèi)均不需要再次校準(zhǔn)。但是通常情況下，為了能夠更好的監(jiān)控設(shè)備搭接狀態(tài)，建議每半年進(jìn)行一次搭接效果檢查，若出現(xiàn)搭接超差的情況則視情況進(jìn)行調(diào)整，若搭接效果在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)則不需進(jìn)行調(diào)整。

同時，為了能夠更好追溯多激光打印產(chǎn)品質(zhì)量，也建議用戶在實際的打印過程中，在多激光搭接區(qū)域放置金相塊以及拉伸樣條對搭接效果進(jìn)行隨爐旁證和質(zhì)量追蹤。

多激光掃描任務(wù)分配問題
當(dāng)激光器數(shù)量增加之后，在掃描任務(wù)的分配上變得復(fù)雜，除了考慮成形效率之外，還需要考慮多個激光之間的相互影響，尤其是上下風(fēng)向以及當(dāng)兩個激光相互靠近時的影響。優(yōu)異的風(fēng)場設(shè)計能夠在一定程度上減輕這種影響，但是依然不能完全避免。經(jīng)過長期的燒結(jié)驗證測試，華曙高科在自主研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件BuildStar平臺上專門開發(fā)了基于多激光設(shè)備的智能切片算法，能夠從掃描任務(wù)分配層面上有效規(guī)避上述問題，在保證燒結(jié)質(zhì)量的同時將效率提升至最大化。同時也提供用戶自定義模式，零部件可按照用戶指定的激光ID進(jìn)行燒結(jié)。

△FS421M-雙激光 數(shù)據(jù)處理軟件BuildStar切片掃描任務(wù)分配

△FS621M-四激光 數(shù)據(jù)處理軟件BuildStar切片掃描任務(wù)分配

△FS621M-四激光 大幅面實際掃描效果（對應(yīng)上圖BuildStar切片） 材料為IN718

如何評判多激光打印工件質(zhì)量
在充分解決如上問題之后，便可在多激光增材制造系統(tǒng)上進(jìn)行高品質(zhì)的零部件打印。通常需要從三方面來評判采用多激光所打印的零件質(zhì)量，分別為：表面搭接痕檢查、金相觀察及力學(xué)性能測試。

搭接痕跡
零部件表面的搭接痕跡能夠直觀的體現(xiàn)出搭接效果的好壞，一般也可以通過觸摸或放大鏡對搭接區(qū)域質(zhì)量進(jìn)行進(jìn)一步的評判。搭接效果較差時，搭接痕跡明顯，不同激光之間錯位較大，用手觸摸時凹凸不平感較強烈。

△搭接效果較差時的豎直面搭接痕跡

△圖為搭接效果較差時的水平面搭接痕跡顯微鏡下放大圖

從上圖中可以看出樣塊表面熔池線紋理清晰、規(guī)則排布，表面無明顯顆粒物附著，體現(xiàn)其參數(shù)的適用性。但是由于搭接效果較差，可以清晰的看到上下兩個激光掃描時的搭接熔合線隆起以及側(cè)面的錯位，錯位量在0.1mm左右。

搭接效果較好的情況如下圖所示，從圖中可以看出其搭接痕跡不明顯，用手觸摸時感覺不到凹凸不平感。

△FS421M-雙激光搭接效果。材料為IN718，層厚0.04mm，工件打印時長206h

△搭接局部放大圖

金相觀察
搭接痕跡只能從外觀表象上初步判斷搭接情況的好壞，雖然具有一定的參考性，但更重要的還必須要從“心”去評判。通常情況下通過對位于搭接區(qū)域的金相塊的水平面及豎直面進(jìn)行金相觀察，通過比較得出搭接質(zhì)量的好壞。

△搭接未調(diào)試到位時分布在搭接線附近的孔洞缺陷，材料為AlSi10Mg，層厚0.04mm

搭接調(diào)試到位后的金相測試結(jié)果如下圖所示，從圖中可以看出中心搭接區(qū)與非搭接區(qū)金相無差別。

△材料為AlSi10Mg，層厚0.04mm

力學(xué)性能測試
除了對搭接區(qū)進(jìn)行金相觀察外，還需要對搭接區(qū)域的力學(xué)性能進(jìn)行測試，以進(jìn)一步來確認(rèn)搭接區(qū)域的質(zhì)量。下圖為FS621M-四激光設(shè)備的搭接測試包。

△FS621M-4激光搭接性能測試包 材料GH3536 層厚0.06mm 打印時長25h32min

打印態(tài)性能測試結(jié)果（平均值）如下：

從測試結(jié)果看，搭接區(qū)域與非搭接區(qū)域樣條性能基本一致。

多激光3D打印系統(tǒng)是面向高效率、大尺寸及批量制造的解決方案之一，也是粉末床激光成型工藝發(fā)展的新趨勢，它意味著可以給客戶提供高效率、低成本的解決方案，也為3D打印技術(shù)在更多行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

華曙高科堅持自主研發(fā)與創(chuàng)新，全面攻克了多激光增材制造系統(tǒng)中存在的多個激光之間的激光一致性問題、掃描振鏡搭接校準(zhǔn)問題、搭接穩(wěn)定性問題以及多激光掃描任務(wù)分配問題等諸多難題，并在產(chǎn)業(yè)化客戶處實現(xiàn)了多臺多激光設(shè)備的裝機驗證，設(shè)備所打印的零部件成功通過航空航天領(lǐng)域相關(guān)嚴(yán)苛測試標(biāo)準(zhǔn)并通過最終的驗收，這標(biāo)志著華曙高科的多激光增材制造技術(shù)成功走向產(chǎn)業(yè)化。