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(dǎo)向的多激光器金屬3D打印設(shè)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(shè)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(shè)備的激光策略進(jìn)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(dǎo)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(dāng)然,，多激光器設(shè)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(shè)備種,，當(dāng)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(dāng)一個激光器處于另一個激光器的下風(fēng)向時，其激光束會受到上風(fēng)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(shè)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(dǎo)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(wù)。
-獨立的光學(xué)系統(tǒng)可能難以對準(zhǔn),，并且可能遭受相對于彼此的熱漂移,，當(dāng)在較大的部件上工作時，會導(dǎo)致重疊區(qū)域中的不連續(xù)性,。
-不同的氣流導(dǎo)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(shè)備（如雷尼紹的4激光器打印設(shè)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(shè)備還可以通過單個激光器對大型零件進(jìn)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(shè)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(fēng)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(zhǔn)備期間將任務(wù)分配給激光器時，可以對此進(jìn)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(jìn)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(shè)備中,，通常是在惰性氣體流的下風(fēng)向開始進(jìn)行粉末材料的熔化,，然后逐漸向上風(fēng)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(shè)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(shè)備中,，這意味著激光從左到右進(jìn)行處理,。

圖片來源：Renishaw

在進(jìn)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,。

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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(fēng)向，激光器4始終處于其他3個激光的上風(fēng)向,，激光器2和3則既處于上風(fēng)向也處于下風(fēng)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(yīng)力-應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)偏差的比率,。

這些數(shù)據(jù)表明使用同樣一臺設(shè)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(fēng)向的加工會導(dǎo)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(rèn)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(yuǎn)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(rèn)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(yīng)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(jìn)行一種下風(fēng)向激光與上風(fēng)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(fēng)向（右側(cè)），并將第四列樣件放置下風(fēng)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(fēng)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(dāng)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(fēng)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(jìn)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(fēng)向樣件與上風(fēng)向樣件之間的距離,。

圖片來源：Renishaw

注意,，所有這些值都是在負(fù)載下評估的，在拉伸試驗機上測量,。
同樣,，當(dāng)進(jìn)一步向下風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dǎo)致下風(fēng)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(fēng)向激光如何受到上風(fēng)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(dǎo)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(dá)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

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這些三種互動機制是相互影響的,，激光能量強度的損失導(dǎo)致熔化過程的激烈程度下降,，進(jìn)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(fēng)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(yù)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(biāo),。

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(biāo)。

當(dāng)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(fēng)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(yīng)力并降低試樣的強度,。

圖片來源：Renishaw

上圖為熱處理 下風(fēng)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?jǐn)嗔驯砻娴拇植谘有詳嗔褏^(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(fēng)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