鐳明激光：大型SLM金屬3D打印機(jī)裝備的研制難題

南極熊導(dǎo)讀：隨著產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的深入，下游需求客戶對(duì)金屬3D打印的要求越來(lái)越多，其中尺寸上的“大”是一個(gè)非常重要的訴求。大幅面大縱深的3D打印機(jī)需求增漲迅猛。

2020年2月，南極熊獲悉，天津鐳明激光作為一家專業(yè)的金屬增材裝備研發(fā)與制造企業(yè)，通過多年3D打印服務(wù)經(jīng)驗(yàn)的積累，研制了多款中大型激光選區(qū)熔化成形裝備（也就是SLM金屬3D打印機(jī)）；近期，將正式發(fā)布其中一款型號(hào)為L(zhǎng)iM-X400A的裝備型號(hào)。本文將介紹這類大型SLM金屬3D打印機(jī)裝備研發(fā)中需要突破的技術(shù)難點(diǎn)。

▲激光選區(qū)LiM-X400A裝備

（1）設(shè)備安全問題

基于粉床的大型激光選區(qū)熔化成形裝備，每一次3D打印成形過程都需要大量的粉末作為載體，粉末用量經(jīng)常以“噸”為單位。對(duì)如此大量的粉末進(jìn)行操作所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)是很高的，例如粉末的裝填與清理，粉末的傳輸與處理等，傳統(tǒng)的人工處理粉末方式不再適用于此類裝備，必須研制與裝備相匹配的自動(dòng)粉末處理裝置。同時(shí)，較長(zhǎng)的打印周期所帶來(lái)的數(shù)量可觀的納米煙塵也是潛在的主要風(fēng)險(xiǎn)，處理這些煙塵所使用的裝置必須是可靠與高效的，其效能必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通類型選區(qū)設(shè)備，并具有一些特殊功能。

（2）3D打印的質(zhì)量問題

這類設(shè)備一旦出現(xiàn)打印質(zhì)量問題，帶來(lái)的成本浪費(fèi)與小型設(shè)備完全不在一個(gè)量級(jí)上。因此保證打印質(zhì)量也是這類設(shè)備研發(fā)中的高優(yōu)先級(jí)目標(biāo)。而打印質(zhì)量來(lái)源于四個(gè)方面的保證：

• ①裝備的質(zhì)量。
• ②材料的質(zhì)量一致性。
• ③工藝設(shè)計(jì)水平。
• ④操作人員的質(zhì)量控制能力。
  

上面的四個(gè)要素缺一不可，但由于篇幅所限，后面三個(gè)要素我們將在今后的文章中逐個(gè)討論，這次的重點(diǎn)放在設(shè)備的質(zhì)量上。

大型SLM金屬3D打印機(jī)裝備的質(zhì)量主要體現(xiàn)在兩方面，其一是能力，其二是穩(wěn)定性。

裝備的能力就是使用這套裝備能夠產(chǎn)出的產(chǎn)品性能。一般情況下，當(dāng)我們把所有最好的部件都堆砌在一起并不犯低級(jí)錯(cuò)誤的時(shí)候，是可以產(chǎn)出具有一定性能的產(chǎn)品的。但是，困難的是穩(wěn)定性。中大型激光選區(qū)熔化設(shè)備的穩(wěn)定性涉及多個(gè)方面：

• ①激光源與光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及使用多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的一致性；
• ②腔室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的均勻性，以及超長(zhǎng)生產(chǎn)周期下的一致性；
• ③ 煙塵的處理效率，及超長(zhǎng)生產(chǎn)周期下的一致性；
• ④單一粉層的均勻性，以及動(dòng)輒數(shù)千乃至上萬(wàn)粉層的一致性。
  

完善軟硬件的基礎(chǔ)配置可以應(yīng)對(duì)大部分的打印加工過程，但是在一些特殊情況下，必須通過有效的監(jiān)控手段對(duì)成形過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別，從宏觀和微觀兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)成形過程缺陷的判定甚至修正。

（3）生產(chǎn)效率問題
大尺寸的零件成形如果依然采用傳統(tǒng)的低功率單激光光學(xué)系統(tǒng)，則生產(chǎn)效率必然低下，同時(shí)，超長(zhǎng)的打印周期也會(huì)為裝備增加更多的不穩(wěn)定因素。目前的解決方案都是以增加激光功率和激光器及光學(xué)系統(tǒng)數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)效率的提升，這就要求裝備在多光束拼接、多光束一致性保持、風(fēng)場(chǎng)控制等多個(gè)重要環(huán)節(jié)有成熟的解決方案；同時(shí)，生產(chǎn)效率還體現(xiàn)在加工生產(chǎn)前后的裝備準(zhǔn)備和裝備清理上，也需要有高效的控制邏輯和輔助機(jī)構(gòu)配合完成。

（4）工藝設(shè)計(jì)
激光成形本身屬于極端條件下的熱成形，大尺寸零件的成形需要激光作用的次數(shù)以百萬(wàn)計(jì)，較大的內(nèi)應(yīng)力及可能產(chǎn)生的微觀缺陷都會(huì)導(dǎo)致零件成形中的失敗或成形后的宏觀缺陷。在裝備可靠性達(dá)標(biāo)的情況下，工藝設(shè)計(jì)（包含參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）的作用凸顯，如何在保證零件可以良好成形的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能的提升，考驗(yàn)著工藝設(shè)計(jì)人員對(duì)于原理、裝備、材料、工藝的綜合理解和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是中大尺寸金屬零件激光選區(qū)熔化成形解決方案的重要組成部分。

為了攻克這些難題，鐳明激光精心吸取了母公司精合集團(tuán)多年來(lái)從事金屬3D打印服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，在研發(fā)LiM-X400A設(shè)備的過程中采用了大量創(chuàng)新而可靠的設(shè)計(jì)。鐳明激光承諾與用戶、材料合作伙伴、關(guān)鍵零部件合作伙伴和其它機(jī)構(gòu)一起，不斷完善裝備、工藝和質(zhì)量，真正幫助中國(guó)3D打印裝備質(zhì)的提升。

因受到新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，鐳明激光原定于TCT展會(huì)期間（2月19日在上海）舉辦的其自主研發(fā)激光選區(qū)LiM-X400A設(shè)備的媒體見面會(huì)將延期舉辦，延期舉辦時(shí)間地點(diǎn)將另行通知！

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