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(gè)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(dú)立的零件，也可以協(xié)同制造一個(gè)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(shí)工作時(shí)會(huì)不會(huì)互相影響呢？激光之間的相互作用又對(duì)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(duì)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(huì)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(shí)會(huì)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(gè)激光器在比較近的距離內(nèi)工作時(shí)，一個(gè)激光器發(fā)射激光將影響到另一個(gè)激光器，這取決于它們?cè)诙栊詺怏w流中所處的相對(duì)位置。當(dāng)一個(gè)激光器處于另一個(gè)激光器的下風(fēng)向時(shí)，其激光束會(huì)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(duì)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(gè)缺點(diǎn)：

-非對(duì)稱構(gòu)建導(dǎo)致生產(chǎn)率降低，這是因?yàn)樵谶@種模式下，每個(gè)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(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)可能難以對(duì)準(zhǔn)，并且可能遭受相對(duì)于彼此的熱漂移，當(dāng)在較大的部件上工作時(shí)，會(huì)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(gè)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(gè)激光器都可以處理整個(gè)構(gòu)建板。這樣就可以在每個(gè)打印層中高效利用到4個(gè)激光器，最大限度的縮短構(gòu)建時(shí)間，這種設(shè)備還可以通過單個(gè)激光器對(duì)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(gè)溫度控制的振鏡可防止激光器相對(duì)位置的熱漂移。均勻的氣體流動(dòng)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(jī)制的多激光器設(shè)備有一定的優(yōu)勢(shì)，但這類技術(shù)仍存在著激光器之間互“不接受”的風(fēng)險(xiǎn)。激光在惰性氣體氣流中的相對(duì)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(shí)，可以對(duì)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(yàn)對(duì)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(shí)使用了4個(gè)激光器，并選擇了一個(gè)4 x 4 陣列來探索各種激光器分配選項(xiàng)，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(jī)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(dòng)，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(jī)會(huì)。在使用多個(gè)激光器3D打印設(shè)備時(shí)，仍可以使用這種策略。在試驗(yàn)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(shí)，其中一種激光掃描策略是，4個(gè)激光器同時(shí)對(duì)左邊第1列（如上圖：1，5，9，13）中的中的4個(gè)樣品起作用，然后移動(dòng)到下一個(gè)色譜柱，直到每個(gè)層完成。這種激光分配選擇意味著每個(gè)激光器都在“清潔空氣”中處理，沒有受到其他激光的影響。

圖片來源：Renishaw

相反，如果在加工圓柱體樣件時(shí)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(gè)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(shí)使用4個(gè)激光器構(gòu)建每個(gè)圓柱體樣件。如果使用條紋影線策略，可以將所有四個(gè)激光器組合在一起構(gòu)建每個(gè)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(yàn)結(jié)果，分析了每種策略下得到的16個(gè)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(yàn)機(jī)上的載荷下測(cè)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(tái)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(gè)激光器下風(fēng)向的加工會(huì)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(qiáng)度。我們也許會(huì)直觀的認(rèn)為幾個(gè)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(shí)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(gè)激光器可以處理整個(gè)構(gòu)建板，那么這將為人們提供靈活應(yīng)用多激光器的機(jī)會(huì)。

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(yàn)。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(gè)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(cè)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(bǔ)充其他幾種材料的信息。

延展性
與之前試驗(yàn)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(duì)處于不同列中的樣件進(jìn)行比對(duì)，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?yàn)檠芯咳藛T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(píng)估的，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量。
同樣，當(dāng)進(jìn)一步向下風(fēng)向移動(dòng)時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)大多數(shù)材料的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）下降，唯一的例外是Ti6Al4V。

圖片來源：Renishaw

機(jī)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(duì)材料特性的影響就越大。在上述試驗(yàn)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(dòng)機(jī)制
那么，導(dǎo)致下風(fēng)向樣件機(jī)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(dòng)機(jī)制：

-通過空氣中的冷凝物削弱聚焦 – 導(dǎo)致激光點(diǎn)強(qiáng)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

圖片來源：Renishaw

這些三種互動(dòng)機(jī)制是相互影響的，激光能量強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(gè)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(qiáng)度圖。 表面粗糙度是機(jī)械性能的良好指標(biāo)。

當(dāng)觀察拉伸斷裂表面時(shí)，可以看到固化材料在其最薄弱點(diǎn)處的質(zhì)量。 對(duì)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(qiáng)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(duì)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(gè)極端的例子中，在6毫米規(guī)格直徑上分布有大約100個(gè)缺乏熔合缺陷。同時(shí)，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