基于激光的金屬3D打印制造技術(shù)五大發(fā)展趨勢(shì)

Dhruv Bhate博士畢業(yè)于普渡大學(xué)機(jī)械工程系，目前負(fù)責(zé)增材制造技術(shù)分析與設(shè)計(jì)，研究領(lǐng)域包括熔融擠出3D打印技術(shù)（FDM）和金屬增材制造技術(shù)（基于粉末床激光技術(shù)）。

通過(guò)4月3日到6日美國(guó)圣路易斯召開(kāi)的AMUG增材制造用戶大會(huì)上的參觀，Bhate博士詳細(xì)了解到激光金屬增材制造技術(shù)從設(shè)計(jì)、仿真到制造工藝等方方面面的發(fā)展。金屬設(shè)備方面主要了解對(duì)象包括在AMUG期間展示的：Concept Laser，SLM Solutions，Renishaw，EOS和3D Systems.

Bhate博士的目的并非是研究這些金屬設(shè)備有什么不同，而是提取共同的趨勢(shì)，他發(fā)現(xiàn)金屬設(shè)備正在提升到下一個(gè)級(jí)別。本期特將他的發(fā)現(xiàn)分享給友們。

趨勢(shì)一:質(zhì)量監(jiān)控

大多數(shù)增材制造設(shè)備希望增加制造過(guò)程中的控制，從而減少加工后殘次品發(fā)生概率以及減少后期加工處理的工作量。第三方質(zhì)量控制公司包括Sigma Labs-西格瑪實(shí)驗(yàn)室和Stratonics開(kāi)發(fā)了獨(dú)立于平臺(tái)的解決方案，能與大多數(shù)金屬系統(tǒng)集成。金屬打印設(shè)備供應(yīng)商也自己開(kāi)發(fā)了一系列的過(guò)程監(jiān)測(cè)手段，一般來(lái)說(shuō)質(zhì)量檢測(cè)分為以下幾類(lèi)：

輸入端監(jiān)視器：

激光：通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)激光功率以及設(shè)備中不同的關(guān)鍵組成部分。

氧氣水平：在加工區(qū)域內(nèi)的傳感器以及在篩站跟蹤氧氣水平，以確保惰性的氬氣或氮?dú)夂�量是有效的，在系統(tǒng)中沒(méi)有發(fā)生泄漏情況。

輸出端監(jiān)視器：

視頻：簡(jiǎn)單而有用，可清晰的現(xiàn)實(shí)最上面一層的激光熔化金屬粉末過(guò)程，并可以幫助交互檢測(cè)加工過(guò)程。

熔池：Concept laser顯示了其熔池監(jiān)控系統(tǒng)如何通過(guò)2D和3D加工圖片來(lái)與電腦中的三維CAD文件對(duì)比，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工中發(fā)生的問(wèn)題。SLM Solutions和EOS也在提供類(lèi)似的熔池監(jiān)控解決方案。

鋪粉的一致性：Concept laser還介紹了以智能的方式調(diào)整鋪粉厚度以達(dá)到一致性。

在這里，3D科學(xué)谷認(rèn)為質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍處于起步階段，不管是如何處理監(jiān)控產(chǎn)生的各種信息，無(wú)還是如何使用數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)零件是否符合質(zhì)量要求。這一切都存在很大的發(fā)展空間，還需要設(shè)備供應(yīng)商、學(xué)術(shù)界和工業(yè)研發(fā)的結(jié)合，以提升到下一個(gè)水平。

趨勢(shì)二:粉體自動(dòng)處理

考慮到火災(zāi)和爆炸所造成的危險(xiǎn)，金屬粉末處理需要格外引起注意。設(shè)備供應(yīng)商不斷改進(jìn)方法，使得設(shè)備的用戶可以最大限度地減少粉末處理的需要。不同的設(shè)備廠商采取了不同的金屬粉末輸送方式。SLM Solutions的SLM 500HL使用Screw System將粉末通過(guò)窄管送到物料篩分站后，經(jīng)過(guò)處理又回到了上料區(qū)。而Renishaw的RenAM 500M則通過(guò)集成到設(shè)備中的氬氣氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)粉末的自動(dòng)輸送。Concept Lase的XLine 2000R也提供了自動(dòng)化的粉末處理工藝。

圖：兩種粉末處理裝置

自動(dòng)化的確帶來(lái)了極大的方便，在這里，3D科學(xué)谷認(rèn)為自動(dòng)化粉處理的局限性之一是材料更換，當(dāng)從一種材料切換到另外一種材料的時(shí)候?qū)⑹欠浅＠щy的，所以自動(dòng)化的粉末處理適合工廠級(jí)的生產(chǎn)需要，一臺(tái)機(jī)器可以專(zhuān)注于一種材料產(chǎn)品的生產(chǎn)。

趨勢(shì)三：多激光器加工

在追求生產(chǎn)率提高的過(guò)程中，最大的收益來(lái)自于提高激光器的數(shù)量和功率。通常，增加一個(gè)額外的激光器可以提高50-80%的加工效率。

SLM Solutions的500 HL設(shè)備可選配的激光器范圍最廣，包括2個(gè)或4個(gè)400W或1000W的功率選擇，也可以選擇不同功率的激光器的組合，例如兩個(gè)400W和兩個(gè)1000W激光器。Concept laser的XLine 2000R可以選配1個(gè)或2個(gè)1000W的激光器，其M2設(shè)備則可以選配200W或400W功率的激光器。

EOS，雷尼紹和3D Systems目前只提供單一的激光器解決方案：EOS M 400配備1000W的激光器，Renishaw的RenAM 500M配備500W的激光器，而3D Systems的PROX DMP 320 3D配備一個(gè)500W的激光器。

然而，并非越多就一定意味著越好，要因需而宜。3D科學(xué)谷認(rèn)為在評(píng)估是否需要多個(gè)激光器時(shí)，有幾個(gè)注意事項(xiàng)：首先，每多一個(gè)激光器實(shí)際上增加了機(jī)器的投資成本；再次，需要注意的是，當(dāng)使用多激光系統(tǒng)的時(shí)候，從不同的激光-激光的變化需要準(zhǔn)確的控制能力，聯(lián)動(dòng)工作的激光器需要更多的校準(zhǔn)、保持和控制能力；此外，在不同的激光功率400W，1000W之間切換也非一日之功，所以是否需要多個(gè)激光器與最終要加工什么以及加工策略密切相關(guān)。

趨勢(shì)四：軟件集成

Renishaw花了大量時(shí)間談?wù)撍麄円子谑褂玫腝uantAM software量子增材制造軟件，目的是整合Renishaw的過(guò)程參數(shù)和零件加工信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接的工藝參數(shù)，并且無(wú)需像Magics這樣的第三方軟件。

另外一家設(shè)備廠商 Additive Industries則宣布剛剛與3DSIM仿真軟件簽署了協(xié)議，將3DSIM整合到他們的MetalFab1設(shè)備的支持軟件方案中。


軟件集成有可能將呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，特別是在以下領(lǐng)域：

－改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，減少對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，優(yōu)化設(shè)計(jì)以減少材料、加工時(shí)間和降低加工成本，減少多次迭代的需要。

－增加用戶可用的處理選項(xiàng)（例如，外部皮膚vs內(nèi)部核心，或厚壁vs薄壁）。

－簡(jiǎn)化用戶對(duì)新材料工作過(guò)程參數(shù)的優(yōu)化。

-集成設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化以提高零件的有效性能。

趨勢(shì)五：模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)

Concept laser在模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)方面可以說(shuō)走在了行業(yè)前面，生產(chǎn)準(zhǔn)備和生產(chǎn)分離，靈活的機(jī)器裝載以及空間分離、安裝和拆卸模塊化組合將提高工廠的柔性，并且使自動(dòng)化達(dá)到更高的水平。

并且，Concept laser還規(guī)劃實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)，通過(guò)銜接軟件之間的交流來(lái)實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化，包括辦公軟件實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)管理，服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程和數(shù)據(jù)管理，機(jī)器軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備和制造過(guò)程控制，監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制，Protocol軟件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)匯報(bào)。


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