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如何通过多激光器3D打印技术构建高完整性的金属零件

时间:2019-01-15 22:04 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:
      以生产为导向的多激光器金属3D打印设备通过多个激光器来提高增材制造的生产效率,多重激光既可以分别制造独立的零件,也可以协同制造一个单件大型部件。这样的灵活性,使得增材制造生产效率得到提升,并降低了制造成本。

        但是多激光器在同时工作时会不会互相影响呢?激光之间的相互作用又对金属3D打印零件的质量产生什么影响呢?雷尼绍公司通过其四激光器金属3D打印设备 RenAM 500Q 对多激光器之间的相互作用,以及如何合理规划多激光器设备的激光策略进行了研究,从中可以得到一些启示。
多激光器配置
      在研究中,研究人员考虑了激光器和惰性气体流之间的关系,以及一种激光器在特定情况下如何影响另一种激光器,继而可能导致材料性能下降的问题。不同金属粉末材料所产生的飞溅会因尺寸、形状和数量的不同而存在显著差异,当然,多激光器设备在加工时会产生更多的飞溅,这使得有效的激光管理变得更加重要。
       在多激光器3D打印设备种,当多个激光器在比较近的距离内工作时,一个激光器发射激光将影响到另一个激光器,这取决于它们在惰性气体流中所处的相对位置。当一个激光器处于另一个激光器的下风向时,其激光束会受到上风向激光熔融的影响。
 
多激光分区和气流配置举例,图片来源:Renishaw
Renishaw 曾对第一代多激光器设备如何通过分区并结合线性或发散惰性气流来避免产生以上现象。然而这种方法存在几个缺点:
-非对称构建导致生产率降低,这是因为在这种模式下,每个激光器具有不同的工作量,因此其中一部分激光器需要闲置等待其他激光器完成任务。
-独立的光学系统可能难以对准,并且可能遭受相对于彼此的热漂移,当在较大的部件上工作时,会导致重叠区域中的不连续性。
-不同的气流导致整个构建板上的熔化条件发生变化,特别是在中心区域。

      而新一代多激光器3D打印设备(如雷尼绍的4激光器打印设备RenAM 500Q)具有完全激光重叠,因此每个激光器都可以处理整个构建板。这样就可以在每个打印层中高效利用到4个激光器,最大限度的缩短构建时间,这种设备还可以通过单个激光器对大型零件进行边界扫描,从而消除表面的不连续性。单个温度控制的振镜可防止激光器相对位置的热漂移。均匀的气体流动状态确保了构建板所有区域中的恒定条件。
多激光器相互作用研究
       虽然这种采用激光完全重叠机制的多激光器设备有一定的优势,但这类技术仍存在着激光器之间互“不接受”的风险。激光在惰性气体气流中的相对位置是非常重要的,但是在打印构建准备期间将任务分配给激光器时,可以对此进行控制。


图片来源:Renishaw
      研究人员通过创建一系列3D打印圆柱体以及垂直拉伸试验对多激光器之间的相互作用进行了研究。在研究过程中,研究人员同时使用了4个激光器,并选择了一个4 x 4 阵列来探索各种激光器分配选项,样件采用的打印材料为 Inconel-625。
激光分配选择的影响
        在单激光机器3D打印设备中,通常是在惰性气体流的下风向开始进行粉末材料的熔化,然后逐渐向上风向移动,这样做是为了最大限度地减少在同一打印层中遇到由激光器产生的飞溅的机会。在使用多个激光器3D打印设备时,仍可以使用这种策略。在试验中所使用的RenAM 500Q 3D打印设备中,这意味着激光从左到右进行处理。

图片来源:Renishaw
在进行圆柱体样件3D打印时,其中一种激光扫描策略是,4个激光器同时对左边第1列(如上图:1,5,9,13)中的中的4个样品起作用,然后移动到下一个色谱柱,直到每个层完成。这种激光分配选择意味着每个激光器都在“清洁空气”中处理,没有受到其他激光的影响。



图片来源:Renishaw

      相反,如果在加工圆柱体样件时采用行阵列的策略,如上图所示,激光器1 始终处于其他激光的下风向,激光器4始终处于其他3个激光的上风向,激光器2和3则既处于上风向也处于下风向。
       还有一种激光扫描策略是,同时使用4个激光器构建每个圆柱体样件。如果使用条纹影线策略,可以将所有四个激光器组合在一起构建每个部件。
研究人员总结了以上三种激光扫描策略制造出的样件的拉伸试验结果,分析了每种策略下得到的16个样件的应力-应变曲线,还包括平均断裂伸长率(在拉伸试验机上的载荷下测量)以及方差系数(CoV),标准偏差的比率。

这些数据表明使用同样一台设备,在特定情况下可能制造出质量差的零件。处在其他三个激光器下风向的加工会导致零件延展性损失,这在某些情况下足以降低材料的极限拉伸强度。我们也许会直观的认为几个激光器之间距离小是一件不好的事情,而使熔池之间保持更远距离将产生较好的结果。然而事实并非如此,研究人员认为使熔池紧密结合是更好的加工策略,如果每个激光器可以处理整个构建板,那么这将为人们提供灵活应用多激光器的机会。

(责任编辑:中国3D打印机网)