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（上）

以生產(chǎn)為導向的多激光器金屬3D打印設備通過多個激光器來提高增材制造的生產(chǎn)效率，多重激光既可以分別制造獨立的零件，也可以協(xié)同制造一個單件大型部件。這樣的靈活性，使得增材制造生產(chǎn)效率得到提升，并降低了制造成本。

但是多激光器在同時工作時會不會互相影響呢？激光之間的相互作用又對金屬3D打印零件的質(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打印設備 RenAM 500Q 對多激光器之間的相互作用，以及如何合理規(guī)劃多激光器設備的激光策略進行了研究，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)生的飛濺會因尺寸、形狀和數(shù)量的不同而存在顯著差異，當然，多激光器設備在加工時會產(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打印設備種，當多個激光器在比較近的距離內(nèi)工作時，一個激光器發(fā)射激光將影響到另一個激光器，這取決于它們在惰性氣體流中所處的相對位置。當一個激光器處于另一個激光器的下風向時，其激光束會受到上風向激光熔融的影響。

多激光分區(qū)和氣流配置舉例，圖片來源：Renishaw

Renishaw 曾對第一代多激光器設備如何通過分區(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缺點：

-非對稱構(gòu)建導致生產(chǎn)率降低，這是因為在這種模式下，每個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。
-獨立的光學系統(tǒng)可能難以對準，并且可能遭受相對于彼此的熱漂移，當在較大的部件上工作時，會導致重疊區(qū)域中的不連續(xù)性。
-不同的氣流導致整個構(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打印設備（如雷尼紹的4激光器打印設備RenAM 500Q）具有完全激光重疊，因此每個激光器都可以處理整個構(gòu)建板。這樣就可以在每個打印層中高效利用到4個激光器，最大限度的縮短構(gòu)建時間，這種設備還可以通過單個激光器對大型零件進行邊界掃描，從而消除表面的不連續(xù)性。單個溫度控制的振鏡可防止激光器相對位置的熱漂移。均勻的氣體流動狀態(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制的多激光器設備有一定的優(yōu)勢，但這類技術(shù)仍存在著激光器之間互“不接受”的風險。激光在惰性氣體氣流中的相對位置是非常重要的，但是在打印構(gòu)建準備期間將任務分配給激光器時，可以對此進行控制。

圖片來源：Renishaw

研究人員通過創(chuàng)建一系列3D打印圓柱體以及垂直拉伸試驗對多激光器之間的相互作用進行了研究。在研究過程中，研究人員同時使用了4個激光器，并選擇了一個4 x 4 陣列來探索各種激光器分配選項，樣件采用的打印材料為 Inconel-625。

激光分配選擇的影響
在單激光機器3D打印設備中，通常是在惰性氣體流的下風向開始進行粉末材料的熔化，然后逐漸向上風向移動，這樣做是為了最大限度地減少在同一打印層中遇到由激光器產(chǎn)生的飛濺的機會。在使用多個激光器3D打印設備時，仍可以使用這種策略。在試驗中所使用的RenAM 500Q 3D打印設備中，這意味著激光從左到右進行處理。

圖片來源：Renishaw

在進行圓柱體樣件3D打印時，其中一種激光掃描策略是，4個激光器同時對左邊第1列（如上圖：1，5，9，13）中的中的4個樣品起作用，然后移動到下一個色譜柱，直到每個層完成。這種激光分配選擇意味著每個激光器都在“清潔空氣”中處理，沒有受到其他激光的影響。

圖片來源：Renishaw

相反，如果在加工圓柱體樣件時采用行陣列的策略，如上圖所示，激光器1 始終處于其他激光的下風向，激光器4始終處于其他3個激光的上風向，激光器2和3則既處于上風向也處于下風向。

還有一種激光掃描策略是，同時使用4個激光器構(gòu)建每個圓柱體樣件。如果使用條紋影線策略，可以將所有四個激光器組合在一起構(gòu)建每個部件。

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試驗結(jié)果，分析了每種策略下得到的16個樣件的應力-應變曲線，還包括平均斷裂伸長率（在拉伸試驗機上的載荷下測量）以及方差系數(shù)（CoV），標準偏差的比率。

這些數(shù)據(jù)表明使用同樣一臺設備，在特定情況下可能制造出質(zhì)量差的零件。處在其他三個激光器下風向的加工會導致零件延展性損失，這在某些情況下足以降低材料的極限拉伸強度。我們也許會直觀的認為幾個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距離將產(chǎn)生較好的結(jié)果。然而事實并非如此，研究人員認為使熔池緊密結(jié)合是更好的加工策略，如果每個激光器可以處理整個構(gòu)建板，那么這將為人們提供靈活應用多激光器的機會。

熔池之間的距離
為了研究激光熔融金屬的質(zhì)量與熔池距離之間的關(guān)系，研究人員進行一種下風向激光與上風向激光具有不距離的打印構(gòu)建試驗。他們將三列樣件放置在粉末床的上風向（右側(cè)），并將第四列樣件放置下風向（左側(cè)）。

圖片來源：Renishaw

從上圖中可以看出，處于最左邊的一列樣件，每一行與上風向樣件之間的距離都不同。研究人員以行陣列的方式構(gòu)建這些樣件。當然，這個激光策略并非是構(gòu)建高質(zhì)量零件的方式，采用此策略的目的僅是用于研究測試。

在此情況下，研究人員使用熱處理的Inconel-718 材料來說明這些效果，并補充其他幾種材料的信息。

延展性
與之前試驗中看的結(jié)果相似，處于下風向的樣件延展性降低，而且它們的斷裂伸長率變化更大。而處于右側(cè)的樣件，拉伸性能得到改善，并變得越來越一致：

圖片來源：Renishaw

通過對處于不同列中的樣件進行比對，可以看到與熔池距離之間的關(guān)系。下圖顯示出斷裂伸長率的減少，這是因為研究人員在一系列材料中增加了下風向樣件與上風向樣件之間的距離。

圖片來源：Renishaw

注意，所有這些值都是在負載下評估的，在拉伸試驗機上測量。
同樣，當進一步向下風向移動時，研究人員發(fā)現(xiàn)大多數(shù)材料的極限抗拉強度（UTS）下降，唯一的例外是Ti6Al4V。

圖片來源：Renishaw

機械性能和下風向距離之間的關(guān)系在不同材料之間略有不同，這是由于它們的飛濺產(chǎn)生和拉伸行為是不同的。但是可以看到，越往下風向，對材料特性的影響就越大。在上述試驗中，如果熔池距離保持在60毫米左右，則影響很小，但是在較大激光分離的情況下，退化明顯增加。由此可以看到，最好是使熔池距離近一些。

熔化行為的變化，激光互動機制
那么，導致下風向樣件機械性能和熔化質(zhì)量下降的根本原因是什么？ 下風向激光如何受到上風向相鄰激光的影響？
有三種可能的互動機制：

-通過空氣中的冷凝物削弱聚焦 – 導致激光點強度降低

圖片來源：Renishaw

-空氣飛濺和冷凝物的阻塞 – 阻礙全部激光能量到達粉末床

圖片來源：Renishaw

-組件中加入了飛濺物 – 粉末床中存在的大顆粒使粉末免受激光能量的影響

圖片來源：Renishaw

這些三種互動機制是相互影響的，激光能量強度的損失導致熔化過程的激烈程度下降，進而使飛濺以較低的速度出現(xiàn)，從而落在更接近熔池的地方，增加飛濺物隨后摻入組件中的可能性。
表面粗糙度和熔化缺陷
下風向樣件的較弱機械性能是由熔化行為變化引起的。研究人員在預加工樣件的表面粗糙度中看到了有關(guān)證據(jù)，這與拉伸強度的損失（如下圖所示）和延展性密切相關(guān)。在表面可以看出材料質(zhì)量的降低，這是下方向激光器出現(xiàn)散焦的證明。表面粗糙度可以作為不利激光相互作用的指標。

圖片來源：Renishaw

上圖是28個經(jīng)過熱處理的Inconel-718拉伸試樣的表面粗糙度和極限抗拉強度圖。 表面粗糙度是機械性能的良好指標。

當觀察拉伸斷裂表面時，可以看到固化材料在其最薄弱點處的質(zhì)量。 對于處在最下風向的樣件，研究人員在斷裂表面觀察到許多缺陷，表面光滑證明層間缺乏熔合。 由于在這些熔體缺陷處裂縫表面的加速聚結(jié)，因此發(fā)生過早失效，在周圍材料上施加更多應力并降低試樣的強度。

圖片來源：Renishaw

上圖為熱處理 下風向Inconel-718樣件拉伸樣品的斷裂表面SEM圖像。平滑缺陷區(qū)域與構(gòu)成大部分斷裂表面的粗糙延性斷裂區(qū)域形成對比。下層的熔體軌跡的上表面清晰可見，表明在這些缺陷區(qū)域中沒有熔合。

圖片來源：Renishaw

在這個極端的例子中，在6毫米規(guī)格直徑上分布有大約100個缺乏熔合缺陷。同時，上風向樣件沒有明顯的缺乏熔合缺陷，并呈現(xiàn)出典型的“杯形和錐形”延性斷裂面（如上圖所示）。

作者：雷尼紹全球方案中心總監(jiān) Marc Saunders