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（下）？

以生產(chǎn)為導(dǎo)向的多激光器金屬3D打印設(shè)備通過多個(gè)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(dú)立的零件，也可以協(xié)同制造一個(gè)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(shí)工作時(shí)會(huì)不會(huì)互相影響呢？激光之間的相互作用又對(duì)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(shè)備 RenAM 500Q 對(duì)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(shè)備的激光策略進(jìn)行了研究，從中可以得到一些啟示。

熔池分析
研究人員也可以觀察到不一致熔化行為的證據(jù)。 在可見和紅外波長(zhǎng)下的實(shí)時(shí)熔池監(jiān)測(cè)表明，在處于不利的下風(fēng)向位置的激光熔融過程中，熔池活力和一致性會(huì)發(fā)生可測(cè)量的變化。 較短的可見波長(zhǎng)表明強(qiáng)度的變化增加 ，而較長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外數(shù)據(jù)表明下風(fēng)向熔池發(fā)出的熱量較少。

圖片來源：Renishaw

上圖為通過Renishaw 過程中質(zhì)量控制軟件InfiniAM監(jiān)控的熔池?cái)?shù)據(jù)，顯示了在兩個(gè)不同光譜帶中的下風(fēng)向樣品和上風(fēng)向樣件的光譜熔池?cái)?shù)據(jù)。

上風(fēng)向激光器數(shù)量的影響

研究表明，上風(fēng)向激光器的數(shù)量是決定下風(fēng)向激光熔化質(zhì)量損失的關(guān)鍵因素。研究人員將兩個(gè)激光器的3D打印樣件拉伸試驗(yàn)結(jié)果與四個(gè)激光器的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)上風(fēng)向單個(gè)激光器的過程排放量減少，因此預(yù)計(jì)對(duì)下風(fēng)向激光器的影響會(huì)有所減少。

圖片來源：Renishaw

該試驗(yàn)中下風(fēng)向激光器打印的樣件的表面比先前測(cè)試的樣件更為光滑，并且表現(xiàn)出更接近基線條件的拉伸性質(zhì)。 處于下風(fēng)向的樣件延展性仍受影響，但這些不足以將強(qiáng)度顯著降低。

圖片來源：Renishaw

在兩個(gè)激光器的3D打印試驗(yàn)中，研究人員仍然觀察到下風(fēng)向樣件斷裂表面存在一些缺陷，但是相比四個(gè)激光器試驗(yàn)中的下風(fēng)向樣件，其缺陷數(shù)量要少得多，在同樣的直徑范圍內(nèi)，該試驗(yàn)結(jié)果是10個(gè)缺陷，而之前的試驗(yàn)中觀察到的缺陷數(shù)量為100個(gè)。與四激光器試驗(yàn)樣件相比，缺陷的尺寸也小得多，在本試驗(yàn)中缺陷尺寸小于等于150微米，之前試驗(yàn)中尺寸近500微米。

圖片來源：Renishaw

由于兩個(gè)激光器的3D打印的試驗(yàn)中，下風(fēng)向激光器仍會(huì)受到影響，因此仍應(yīng)避免兩個(gè)熔池之間距離過大，但是在兩個(gè)激光器的情況下，熔池距離增加到100毫米。

打印層厚的影響
通常如果每個(gè)打印層的厚度較大，就需要使用較高功率的激光，進(jìn)行更高的能量輸入，這將導(dǎo)致較大的熔池，也可能產(chǎn)生更多的飛濺。此外，較高的激光功率會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的激光光斑，從而產(chǎn)生更強(qiáng)烈的蒸汽羽流和更多的冷凝物。如果從這一點(diǎn)上來推測(cè)，層厚較大時(shí)下風(fēng)向打印樣件將受到更嚴(yán)重的影響。

然而，研究人員通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，厚度差別所產(chǎn)生的影響很小。在測(cè)試時(shí)，研究人員分別采用了30微米和60微米兩種層厚來打印 Inconel-718 樣件，但是兩種不同層后的經(jīng)過熱處理的Inconel-718樣件得到的測(cè)試結(jié)果非常相似（如下圖所示）。

圖片來源：Renishaw

可以看出，兩種不同層厚樣件的機(jī)械性能退化與熔池距離之間的關(guān)系非常接近。雖然其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)存在一些細(xì)節(jié)差異，一旦考慮了交互過程的隨機(jī)性質(zhì)，這些結(jié)果基本相同。

哪種因素影響最大？
在上述研究中，研究人員探討了影響下風(fēng)向熔化質(zhì)量的三個(gè)因素，即：去聚焦、遮蔽和飛濺摻入。 前兩個(gè)因素通過空氣傳播的顆粒干擾下風(fēng)向激光束，而第三個(gè)因素發(fā)生在粉末床表面。 那么，在這三個(gè)因素中，哪一個(gè)對(duì)下風(fēng)向熔化質(zhì)量的影響最大呢？

為此，研究人員使用新的激光掃描策略進(jìn)行了測(cè)試。在新測(cè)試中，激光器進(jìn)行列陣列掃描，首先熔化最上風(fēng)向的樣件，然后熔化處于下風(fēng)向的樣件。這意味著下風(fēng)向樣件不再受到前兩個(gè)因素的影響，但是仍然會(huì)受到第三個(gè)因素的影響。

圖片來源：Renishaw

在上圖中，最上方兩條曲線下風(fēng)向打印樣件分別在3個(gè)上風(fēng)向激光器和1個(gè)上風(fēng)向激光器空氣傳播因素影響下的測(cè)試結(jié)果，最下方曲線為下風(fēng)向打印樣件僅在表面飛濺因素（upwind then dowwind）影響下的測(cè)試結(jié)果。

在該試驗(yàn)中，下風(fēng)向樣件顯示出拉伸性能的降低非常小，并且它們的表面粗糙度也幾乎不受影響。上風(fēng)向產(chǎn)生的碎片對(duì)熔化性能的影響很小。研究人員認(rèn)為，這些結(jié)果也表明多激光之間相互發(fā)生作用的主要因素是去聚焦、遮蔽這樣的空氣傳播因素。

研究人員提示，該試驗(yàn)是基于雷尼紹的多激光器3D打印設(shè)備RenAM 500Q 中進(jìn)行的，不同的多激光器3D打印設(shè)備所發(fā)生的激光相互作用結(jié)果也將有所差異。

多激光器3D打印策略
通過上述研究，研究人員已經(jīng)找到了多激光器3D打印設(shè)備中影響打印樣件質(zhì)量的因素，那么，應(yīng)該如何將這些知識(shí)應(yīng)用于多激光器設(shè)備的3D打印中呢？

-用多激光器設(shè)備批量生產(chǎn)多個(gè)零件
當(dāng)零件陣列尺寸等于或大于激光器數(shù)量時(shí)，可以選擇為每個(gè)零件分配一個(gè)激光，并以“列”的方式進(jìn)行打印，激光器向上風(fēng)向移動(dòng)。

-用多激光器設(shè)備生產(chǎn)單個(gè)大型零件
可以嘗試為每個(gè)激光器分配部件的水平區(qū)域來完全避免下風(fēng)向處理，但這種方式的不足之處是，將在零件表面上有見證標(biāo)記，并在區(qū)域邊界處零件經(jīng)過重新熔化。此外，采用這種激光策略時(shí)不太可能平等地使用所有的激光器，除非打印部件具有非常規(guī)則的形狀。

更好的策略是使用符合熔池距離規(guī)則的策略，在整個(gè)部件中使用所有四個(gè)激光器。這種方法確保所有四個(gè)激光器保持工作的時(shí)間大約相同，從而最小化每個(gè)層的加工時(shí)間。使用單個(gè)激光來處理每個(gè)邊界掃描是有意義的，這樣將避免表面不連續(xù)。激光器保持彼此靠近，與下風(fēng)向熔池之間的距離保持最小。

總結(jié)
多激光器3D打印技術(shù)具有更高的生產(chǎn)效率，然而多個(gè)激光器之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，這種相互作用與它們之間的距離相關(guān)，并且在某些情況下，這種相互作用會(huì)對(duì)3D打印的部件質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。了解發(fā)生相互作用的機(jī)制則有助于合理規(guī)劃多激光器3D打印設(shè)備的激光策略，以高效靈活的方式構(gòu)建3D打印零件。

作者：雷尼紹全球方案中心總監(jiān) Marc Saunders