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),。 在可見和紅外波長下的實時熔池監(jiān)測表明,，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發(fā)生可測量的變化,。 較短的可見波長表明強度的變化增加 ,，而較長波長的紅外數(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)控的熔池數(shù)據(jù),，顯示了在兩個不同光譜帶中的下風(fēng)向樣品和上風(fēng)向樣件的光譜熔池數(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,。研究人員將兩個激光器的3D打印樣件拉伸試驗結(jié)果與四個激光器的結(jié)果進行了對比,，發(fā)現(xiàn)上風(fēng)向單個激光器的過程排放量減少，因此預(yù)計對下風(fēng)向激光器的影響會有所減少,。

圖片來源：Renishaw

該試驗中下風(fēng)向激光器打印的樣件的表面比先前測試的樣件更為光滑,，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,，但這些不足以將強度顯著降低,。

圖片來源：Renishaw

在兩個激光器的3D打印試驗中，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,，但是相比四個激光器試驗中的下風(fēng)向樣件,，其缺陷數(shù)量要少得多，在同樣的直徑范圍內(nèi),，該試驗結(jié)果是10個缺陷,，而之前的試驗中觀察到的缺陷數(shù)量為100個。與四激光器試驗樣件相比,，缺陷的尺寸也小得多,，在本試驗中缺陷尺寸小于等于150微米，之前試驗中尺寸近500微米,。

圖片來源：Renishaw

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

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

然而,，研究人員通過測試發(fā)現(xiàn),，厚度差別所產(chǎn)生的影響很小。在測試時,，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,。雖然其中每個數(shù)據(jù)點存在一些細節(jié)差異，一旦考慮了交互過程的隨機性質(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)量的三個因素,，即：去聚焦、遮蔽和飛濺摻入,。 前兩個因素通過空氣傳播的顆粒干擾下風(fēng)向激光束,，而第三個因素發(fā)生在粉末床表面。 那么,，在這三個因素中,，哪一個對下風(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行了測試,。在新測試中,，激光器進行列陣列掃描,，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因素的影響,，但是仍然會受到第三個因素的影響。

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個上風(fēng)向激光器和1個上風(fēng)向激光器空氣傳播因素影響下的測試結(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）影響下的測試結(jié)果。

在該試驗中,，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)生的碎片對熔化性能的影響很小。研究人員認為,，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,，該試驗是基于雷尼紹的多激光器3D打印設(shè)備RenAM 500Q 中進行的,，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)多個零件
當零件陣列尺寸等于或大于激光器數(shù)量時,，可以選擇為每個零件分配一個激光，并以“列”的方式進行打印,，激光器向上風(fēng)向移動,。

-用多激光器設(shè)備生產(chǎn)單個大型零件
可以嘗試為每個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,，在整個部件中使用所有四個激光器,。這種方法確保所有四個激光器保持工作的時間大約相同，從而最小化每個層的加工時間,。使用單個激光來處理每個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，然而多個激光器之間會產(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，這種相互作用會對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