鐳明激光：大型SLM金屬3D打印機裝備的研制難題

南極熊導讀：隨著產(chǎn)業(yè)應用的深入，下游需求客戶對金屬3D打印的要求越來越多，其中尺寸上的“大”是一個非常重要的訴求。大幅面大縱深的3D打印機需求增漲迅猛。

2020年2月，南極熊獲悉，天津鐳明激光作為一家專業(yè)的金屬增材裝備研發(fā)與制造企業(yè)，通過多年3D打印服務經(jīng)驗的積累，研制了多款中大型激光選區(qū)熔化成形裝備（也就是SLM金屬3D打印機）；近期，將正式發(fā)布其中一款型號為LiM-X400A的裝備型號。本文將介紹這類大型SLM金屬3D打印機裝備研發(fā)中需要突破的技術(shù)難點。

▲激光選區(qū)LiM-X400A裝備

（1）設(shè)備安全問題

基于粉床的大型激光選區(qū)熔化成形裝備，每一次3D打印成形過程都需要大量的粉末作為載體，粉末用量經(jīng)常以“噸”為單位。對如此大量的粉末進行操作所帶來的安全風險是很高的，例如粉末的裝填與清理，粉末的傳輸與處理等，傳統(tǒng)的人工處理粉末方式不再適用于此類裝備，必須研制與裝備相匹配的自動粉末處理裝置。同時，較長的打印周期所帶來的數(shù)量可觀的納米煙塵也是潛在的主要風險，處理這些煙塵所使用的裝置必須是可靠與高效的，其效能必須遠遠超過普通類型選區(qū)設(shè)備，并具有一些特殊功能。

（2）3D打印的質(zhì)量問題

這類設(shè)備一旦出現(xiàn)打印質(zhì)量問題，帶來的成本浪費與小型設(shè)備完全不在一個量級上。因此保證打印質(zhì)量也是這類設(shè)備研發(fā)中的高優(yōu)先級目標。而打印質(zhì)量來源于四個方面的保證：

• ①裝備的質(zhì)量。
• ②材料的質(zhì)量一致性。
• ③工藝設(shè)計水平。
• ④操作人員的質(zhì)量控制能力。
  

上面的四個要素缺一不可，但由于篇幅所限，后面三個要素我們將在今后的文章中逐個討論，這次的重點放在設(shè)備的質(zhì)量上。

大型SLM金屬3D打印機裝備的質(zhì)量主要體現(xiàn)在兩方面，其一是能力，其二是穩(wěn)定性。

裝備的能力就是使用這套裝備能夠產(chǎn)出的產(chǎn)品性能。一般情況下，當我們把所有最好的部件都堆砌在一起并不犯低級錯誤的時候，是可以產(chǎn)出具有一定性能的產(chǎn)品的。但是，困難的是穩(wěn)定性。中大型激光選區(qū)熔化設(shè)備的穩(wěn)定性涉及多個方面：

• ①激光源與光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及使用多個光學系統(tǒng)時，多個光學系統(tǒng)的一致性；
• ②腔室內(nèi)風場的均勻性，以及超長生產(chǎn)周期下的一致性；
• ③ 煙塵的處理效率，及超長生產(chǎn)周期下的一致性；
• ④單一粉層的均勻性，以及動輒數(shù)千乃至上萬粉層的一致性。
  

完善軟硬件的基礎(chǔ)配置可以應對大部分的打印加工過程，但是在一些特殊情況下，必須通過有效的監(jiān)控手段對成形過程進行監(jiān)測和識別，從宏觀和微觀兩個角度實現(xiàn)成形過程缺陷的判定甚至修正。

（3）生產(chǎn)效率問題
大尺寸的零件成形如果依然采用傳統(tǒng)的低功率單激光光學系統(tǒng)，則生產(chǎn)效率必然低下，同時，超長的打印周期也會為裝備增加更多的不穩(wěn)定因素。目前的解決方案都是以增加激光功率和激光器及光學系統(tǒng)數(shù)量來實現(xiàn)效率的提升，這就要求裝備在多光束拼接、多光束一致性保持、風場控制等多個重要環(huán)節(jié)有成熟的解決方案；同時，生產(chǎn)效率還體現(xiàn)在加工生產(chǎn)前后的裝備準備和裝備清理上，也需要有高效的控制邏輯和輔助機構(gòu)配合完成。

（4）工藝設(shè)計
激光成形本身屬于極端條件下的熱成形，大尺寸零件的成形需要激光作用的次數(shù)以百萬計，較大的內(nèi)應力及可能產(chǎn)生的微觀缺陷都會導致零件成形中的失敗或成形后的宏觀缺陷。在裝備可靠性達標的情況下，工藝設(shè)計（包含參數(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計）的作用凸顯，如何在保證零件可以良好成形的基礎(chǔ)上實現(xiàn)各項性能的提升，考驗著工藝設(shè)計人員對于原理、裝備、材料、工藝的綜合理解和經(jīng)驗總結(jié)，是中大尺寸金屬零件激光選區(qū)熔化成形解決方案的重要組成部分。

為了攻克這些難題，鐳明激光精心吸取了母公司精合集團多年來從事金屬3D打印服務的經(jīng)驗，在研發(fā)LiM-X400A設(shè)備的過程中采用了大量創(chuàng)新而可靠的設(shè)計。鐳明激光承諾與用戶、材料合作伙伴、關(guān)鍵零部件合作伙伴和其它機構(gòu)一起，不斷完善裝備、工藝和質(zhì)量，真正幫助中國3D打印裝備質(zhì)的提升。

因受到新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，鐳明激光原定于TCT展會期間（2月19日在上海）舉辦的其自主研發(fā)激光選區(qū)LiM-X400A設(shè)備的媒體見面會將延期舉辦，延期舉辦時間地點將另行通知！

鐳明激光大型SLM金屬3D打印機LiM-X400A具體情況介紹，請持續(xù)關(guān)注南極熊的跟蹤報道。
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