深度揭秘華曙高科多激光金屬增材制造成功之道

來源：華曙高科

經(jīng)過幾十年的蓬勃發(fā)展,，金屬3D打印技術已日趨成熟,，在齒科,、航空航天,、醫(yī)療,、模具等行業(yè)已初步形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模,。在該技術走向產(chǎn)業(yè)化的進程中,，“成本和效率”問題逐漸變得突出，尤其是所需打印的零件越來越大,，設備打印幅面也隨之擴大,，單激光打印時間變得越來越長，因此亟需尋找解決辦法來降低生產(chǎn)制造成本,，提高單位時間內(nèi)的生產(chǎn)效率,。

金屬3D打印的主要的成本構成有設備折舊、粉末成本,、耗材,、人工、后處理費用,、水電氣,、場地等。提升打印效率的主要方法有采用多激光提高掃描效率,，縮短單層鋪粉時間,，采用大層厚工藝參數(shù)以及掃描策略上的優(yōu)化等。

在“成本和效率”問題上,，工業(yè)級3D打印領航企業(yè)華曙高科給出了自己的解決方案,，在給客戶提供高性價比的設備同時也不斷進行技術創(chuàng)新以提高設備的生產(chǎn)效率，為客戶創(chuàng)造更多價值,。自2019以來,，華曙高科中大型、多激光金屬設備的訂單和裝機量均顯著增長,，經(jīng)歷了產(chǎn)業(yè)化客戶的驗證,。本期我們重點介紹華曙高科的提效降本技術之一 —— 多激光技術,。

采用多激光打印并不是簡單的激光器、掃描振鏡在數(shù)量上的疊加,，只有當多個激光之間的激光一致性問題,、掃描振鏡搭接校準問題、搭接穩(wěn)定性問題,、多激光掃描任務分配問題等得到徹底解決才能形成穩(wěn)定的高品質高效率的多激光增材制造系統(tǒng),。

高品質、高效率的多激光增材制造系統(tǒng)

激光一致性問題
激光的一致性主要包含兩方面,，一方面是光斑形態(tài)及尺寸,，另一方面是激光功率。

華曙設備的光路系統(tǒng)為全自主研發(fā),，包含了光學系統(tǒng)整體設計,、光學元器件的選型（源自高端知名品牌），安裝調試等,。

憑借過硬的研發(fā)實力和超過10年的工程應用經(jīng)驗,，華曙能夠將多激光設備的不同激光的光斑形態(tài)基本調至一致，光斑尺寸偏差控制在±3μm以內(nèi),。

下圖為用光束質量分析儀在華曙FS421雙激光設備上所測得的前后激光光斑形態(tài)測量圖,。

△前激光光斑形態(tài)

△后激光光斑形態(tài)

依靠華曙自主研發(fā)的激光功率校準軟件和測試工裝可方便快捷進行校準，經(jīng)校準后不同激光之間的功率偏差可控制在3W以內(nèi),，F(xiàn)S421M雙激光的功率校準結果如下圖所示：

△前激光功率校準

△后激光功率校準

掃描振鏡搭接校準問題
掃描振鏡是激光選區(qū)熔化成型設備的首要核心部件,，成型精度主要是通過它來保證的。通過計算機系統(tǒng)與振鏡運動控制卡來控制振鏡進行指令角度的偏轉,，從而實現(xiàn)激光束在指定位置進行精確掃描,。

在振鏡系統(tǒng)中，從理論上來講其偏轉角與平面坐標之間有著固有的非線性映射關系,，再加上光學元器件本身存在制造誤差,、裝調過程中也存在誤差，這些都會給系統(tǒng)帶來“枕形畸變”,、“桶形畸變”和“枕桶形復合畸變”等靜態(tài)誤差,；同時電子傳輸線路中的殘留噪聲、模擬電壓漂移也會帶來一些系統(tǒng)和隨機的動態(tài)誤差,，因此必須進行振鏡校準來保證成型精度,。華曙高科自主研發(fā)了整套振鏡校準系統(tǒng)，可方便快捷的實現(xiàn)振鏡掃描位置精度的精確校準,。

在單個振鏡系統(tǒng)校準之后,，在多激光的掃描重合區(qū)域還需要進行搭接校準，目的是為了讓多個激光器在掃描位于搭接區(qū)域的同一位置時能夠盡可能的重合。在實際掃描過程中如出現(xiàn)偏差,，則通過平移加旋轉操作便可將兩個激光的掃描線重合,。

△搭接校調原理示意圖

針對搭接校準這一難題，華曙也自主研發(fā)了多激光自動校準系統(tǒng),，包含傳感器等硬件工裝以及相應的搭接矯正軟件,，軟件自動讀取測試數(shù)據(jù)，自動進行計算偏差和校正,。

該套系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠極大的減少調試步驟,，減輕調試人員的工作量，提高準確性的同時也能顯著提高校準效率,。經(jīng)長期,、多臺設備綜合驗證測試，通過該套系統(tǒng)搭接校準精度可以穩(wěn)定控制在0.05mm以內(nèi),，滿足航空航天客戶的質量要求。

△多激光自動搭接校準系統(tǒng)原理示意圖

搭接穩(wěn)定性問題
在完成多激光區(qū)域的搭接校準之后,，通常用戶還關心一個問題——搭接效果能夠維持多長時間保持不變,？

一個好的光學系統(tǒng)設計再加上使用過程中的正常維護，按理來說搭接在相當長一段時間內(nèi)均不需要再次校準,。但是通常情況下,，為了能夠更好的監(jiān)控設備搭接狀態(tài)，建議每半年進行一次搭接效果檢查,，若出現(xiàn)搭接超差的情況則視情況進行調整,，若搭接效果在標準要求范圍內(nèi)則不需進行調整。

同時,，為了能夠更好追溯多激光打印產(chǎn)品質量,，也建議用戶在實際的打印過程中，在多激光搭接區(qū)域放置金相塊以及拉伸樣條對搭接效果進行隨爐旁證和質量追蹤,。

多激光掃描任務分配問題
當激光器數(shù)量增加之后,，在掃描任務的分配上變得復雜，除了考慮成形效率之外,，還需要考慮多個激光之間的相互影響,，尤其是上下風向以及當兩個激光相互靠近時的影響。優(yōu)異的風場設計能夠在一定程度上減輕這種影響,，但是依然不能完全避免,。經(jīng)過長期的燒結驗證測試，華曙高科在自主研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件BuildStar平臺上專門開發(fā)了基于多激光設備的智能切片算法,，能夠從掃描任務分配層面上有效規(guī)避上述問題,，在保證燒結質量的同時將效率提升至最大化。同時也提供用戶自定義模式,，零部件可按照用戶指定的激光ID進行燒結,。

△FS421M-雙激光 數(shù)據(jù)處理軟件BuildStar切片掃描任務分配

△FS621M-四激光 數(shù)據(jù)處理軟件BuildStar切片掃描任務分配

△FS621M-四激光 大幅面實際掃描效果（對應上圖BuildStar切片） 材料為IN718

如何評判多激光打印工件質量
在充分解決如上問題之后,，便可在多激光增材制造系統(tǒng)上進行高品質的零部件打印。通常需要從三方面來評判采用多激光所打印的零件質量,，分別為：表面搭接痕檢查,、金相觀察及力學性能測試。

搭接痕跡
零部件表面的搭接痕跡能夠直觀的體現(xiàn)出搭接效果的好壞,，一般也可以通過觸摸或放大鏡對搭接區(qū)域質量進行進一步的評判,。搭接效果較差時，搭接痕跡明顯,，不同激光之間錯位較大,，用手觸摸時凹凸不平感較強烈。

△搭接效果較差時的豎直面搭接痕跡

△圖為搭接效果較差時的水平面搭接痕跡顯微鏡下放大圖

從上圖中可以看出樣塊表面熔池線紋理清晰,、規(guī)則排布,，表面無明顯顆粒物附著，體現(xiàn)其參數(shù)的適用性,。但是由于搭接效果較差,，可以清晰的看到上下兩個激光掃描時的搭接熔合線隆起以及側面的錯位，錯位量在0.1mm左右,。

搭接效果較好的情況如下圖所示,，從圖中可以看出其搭接痕跡不明顯，用手觸摸時感覺不到凹凸不平感,。

△FS421M-雙激光搭接效果,。材料為IN718，層厚0.04mm,，工件打印時長206h

△搭接局部放大圖

金相觀察
搭接痕跡只能從外觀表象上初步判斷搭接情況的好壞,，雖然具有一定的參考性，但更重要的還必須要從“心”去評判,。通常情況下通過對位于搭接區(qū)域的金相塊的水平面及豎直面進行金相觀察,，通過比較得出搭接質量的好壞。

△搭接未調試到位時分布在搭接線附近的孔洞缺陷,，材料為AlSi10Mg,，層厚0.04mm

搭接調試到位后的金相測試結果如下圖所示，從圖中可以看出中心搭接區(qū)與非搭接區(qū)金相無差別,。

△材料為AlSi10Mg,，層厚0.04mm

力學性能測試
除了對搭接區(qū)進行金相觀察外，還需要對搭接區(qū)域的力學性能進行測試,，以進一步來確認搭接區(qū)域的質量,。下圖為FS621M-四激光設備的搭接測試包。

△FS621M-4激光搭接性能測試包 材料GH3536 層厚0.06mm 打印時長25h32min

打印態(tài)性能測試結果（平均值）如下：

從測試結果看，搭接區(qū)域與非搭接區(qū)域樣條性能基本一致,。

多激光3D打印系統(tǒng)是面向高效率,、大尺寸及批量制造的解決方案之一，也是粉末床激光成型工藝發(fā)展的新趨勢,，它意味著可以給客戶提供高效率,、低成本的解決方案，也為3D打印技術在更多行業(yè)領域的應用打下堅實的基礎,。

華曙高科堅持自主研發(fā)與創(chuàng)新,，全面攻克了多激光增材制造系統(tǒng)中存在的多個激光之間的激光一致性問題、掃描振鏡搭接校準問題,、搭接穩(wěn)定性問題以及多激光掃描任務分配問題等諸多難題,，并在產(chǎn)業(yè)化客戶處實現(xiàn)了多臺多激光設備的裝機驗證，設備所打印的零部件成功通過航空航天領域相關嚴苛測試標準并通過最終的驗收,，這標志著華曙高科的多激光增材制造技術成功走向產(chǎn)業(yè)化,。