在整个成型区域内实现稳定、一致的零部件特性

实现稳定、⼀致的零部件特性 覆盖整个成型区域 本⽩⽪书给出了以下问题的答案： 多激光器增材制造系统⾯临的挑战是什么？ 激光偏转的影响是什么？ LCDS 等新曝光策略如何解决这些挑战？ 多激光器系统：⽣产效率与⼀致性⼆选⼀？还是两者兼得？激光偏转：3D 打印的挑战依赖位置的熔化⾏为LCDS 兼顾⽣产效率与⼀致性！结论与应⽤前景联系⽅式347121416 图 1EOS 最新的⾦属系统，EOS M 300-4图 2EOS M 300-4 的激光扫描仪排布图 3使⽤EOS M 300-4、EOS MaragingSteel MS1 和 50 μm⼯艺打印测试作业的实验环境图 4作业布局描述和断裂伸⻓率结果（制造状态，未经热处理）图 5左侧是作业布局，右侧是样品显微照⽚的⼀部分图 6使⽤EOS M 300-4、EOS MaragingSteel MS1 和 50 μm⼯艺打印测试作业的实验环境图 7展⽰作业 A 和作业 B图 8通过 3D⾼度剖⾯以及曝光后的照⽚⽐较与激光中⼼距离相同的两个场区图 9析填充包的⽅法图 10不同填充和条纹⽅向的横截⾯图图 11平均横截⾯积结果的⽐较图 12激光中⼼依赖曝光策略 LCDS 的理论图 13激光器 3：不同曝光策略的孔隙率⽐较34456778910111213 多激光器系统：⽣产效率与⼀致性⼆选⼀？还是两者兼得？ 步⼊批量⽣产阶段后，所有增材制造技术都在⾯临全新挑战。为成功实现向批量⽣产的转变，提升系统的⽣产效率势在必⾏。为实现这⼀⽬标，我们的新⼀代机器配备了更⼤的成型空间和多个激光器。 可以充分利⽤整个 300 x 300 mm² 成型基板⾯积进⾏零部件定位，此外，统⼀的夹具系统也使后处理⼯作更加简便。与此同时，四激光器设计有助于最⼤限度地提⾼⽣产率。每个激光器均可覆盖整个成型区域。因此，不论负载系数或零部件定位如何，激光器都能发挥最⼤性能。 EOS⾦属系统产品组合中的旗舰机型‒EOS M 300-4（图 1）‒专为批量⽣产⽽打造。中⼼成型基板采⽤耦合设计， 追求更短的成型时间、实现激光器全⾯覆盖基板，以及平衡各激光器的曝光时间以充分发挥每台激光器的性能，这些需求为⼯艺开发带来了全新挑战。⽆论零部件在成型基板上的位置如何，或者使⽤哪⼀台激光器，确保零部件质量稳定可靠都是其中⼀个最重要的⽅⾯。 因此，我们开展了多项研究，以提⾼成型空间 x-y 平⾯上的零部件质量并确保质 量⼀致 性 。我 们 开 发 了⼀种⽤于DMLS® 技术的新曝光策略 LCDS，下⽂将对其进⾏详细介绍。 激光偏转：3D 打印的挑战 图 2 展⽰了 EOS M 300-4 的 光 学 排列。它可以划分为四个象限，每个象限的中⼼均与四个扫描器正交投射到各⾃象限的激光束重合。为实现成型区域的全⾯覆盖，扫描仪的潜在扫描范围超出了成型基板的实际⼤⼩。 这种设置带来了⼯作区域更⼤的挑战，因此激光的偏转⻆度更⼤，也就是说，⼊射⻆更为平缓。 为了检验偏转⻆对机械特性的影响，我们设计了⼀种作业布局，其中垂直拉伸试棒围绕激光中⼼以同⼼圆⽅式排列。随着每个圆的周⻓逐步增加，偏转⻆也随之增⼤。 为避免⻜溅物污染尚未曝光的区域，我们启动了“流动优化”功能。因此，曝光图案的条纹是沿着与流动⽅向相反的⽅向处理的，从⽽避免了污染。激光器1 和 3 分别对这项作业（图 4）进⾏了重复。 为确定偏转的影响⽽进⾏的测试作业表明，随着与激光中⼼距离的增加，激光器 1 样品的机械特性基本保持稳定。然⽽，激光器 3 的拉伸试棒显⽰其抗拉强度和屈服强度有轻微下降。 如图 4 所⽰，断裂伸⻓率受偏转程度的影响尤为明显。尽管样品数量随着与激光中⼼距离的增加⽽减少，从⽽降低了统计确定性，但我们仍能看出⼀个明显趋势。 在另⼀项检查中，测定了在激光中⼼附近以及激光束最⼤偏转处的零部件孔隙率。如图 5 所⽰，激光器 3⽣成的零部件密度显著降低。⾮球形孔洞表明，由于存在未熔合孔隙⽽产⽣了缺陷。 需要探究的是，究竟哪种现象或影响因素导致了激光器 1 和 3 的性能差异。 我们将在下⼀节中对此进⾏更详细地讨论。 依赖位置的熔化⾏为 每 个 区 域 包 含 16 个 充 当 基 底 的 试 验块。在每个试验块的顶部，⼀组代表曝光图案的填充包将熔化在最后⼀层。将填充（扫描向量）旋转 45 度，以检查不同填充和条纹⽅向组合的效果。单向和交替填充都使⽤激光器 1 和激光器 3进⾏测试。作业 A（单向填充）和作业B（交替填充）的布局在图 7 中展⽰。 为了分析激光器 1 和 3 之间的差异，我们对不同基板位置的熔化⾏为进⾏了深⼊检查。测试系列的部分结果将在下⼀节中进⾏展⽰。 我们预计在填充级别（即单个扫描⽮量）的研究中，会发现⼯艺中存在的偏差（⻅图 6 中的实验环境）。为获得具有 空 间 分 辨 性 的 测 试 结 果 ， EOS M300-4 成型基板被划分为 16 个区域， 填充包的视觉评估 其他样品的表⾯外观较为不规则，红⾊区域中穿插着蓝⾊部分。表⾯质量会根据成型基板上的位置以及所分配的激光器⽽有所差异。外观不均匀的区域也会导致⼯艺过程中出现“污染”。沉积在零部件表⾯附件的材料已⽆法再熔化。 图 8⽐较了激光器 1 和 3 等距场域中填充包的⾼度剖⾯，以及曝光后拍摄的相应图⽚。如图所⽰，表⾯图形会根据填充和条纹⽅向的不同组合呈现出截然不同的特征。⼀些表⾯看起来⾮常均匀并显⽰出连续的红⾊区域，这表明熔化区域⾼度⼀致且⼗分均匀。 确定最终材料的体积 在下⼀步中，我们将通过测量数据来进⼀步证实这些初步的视觉印象。为了测量每个填充 - 条纹组合的体积增加情况，我们将进⾏3D⾼度剖⾯扫描。我们可以通过填充包上的多条轮廓线来确定横截⾯积（⻅图 9）。 如 图 10 所⽰， 我 们 分 别 针 对 作 业 A（单向剖⾯线）和 B（交替剖⾯线），绘制了激光器 1 和 3 的横截⾯积随条纹和填充⽅向的变化。x 轴按照填充和条纹是远离还是朝向激光中⼼进⾏了划分。在下图中，远离激光中⼼的条纹⽅向通常与较⼤的材料堆积量有关。 同时，调整填充⽅向，使其朝向激光中⼼也是⼗分有益的。在⽐较交替和单向填充⽅法的性能时，我们发现，如果所有填充都指向同⼀⽅向，并且配合理想的曝光⽅法，可以熔化更多的材料。总之，两种激光器表现出相似的⾏为。 在图 11 中，我们将所有⾸选⽅向（图10 中的绿⾊矩形）与不利⽅向（图 10中的红⾊矩形）的平均横截⾯积进⾏了⽐较，并就其随距离因⼦（另请参⻅图4 中的距离因⼦）⾄激光中⼼的变化进⾏了绘图。显然，当加⼯位置远离激光中⼼时，条纹和填充⽅向对加⼯结果的影响变得更为显著。 LCDS 兼顾⽣产效率与⼀致性！ 第⼀视觉印象和材料堆积评估都暗⽰条纹供给⽅向和填充⽮量⽅向之间存在明显联系。在⽐较对⽴的激光器 1 和激光器 3 时，流动⽅向在熔化材料体积⽅⾯起次要作⽤。关于以填充为重点的研究结 果 ， 我 们 可 以 得 出 如 下 总 结 （ 图12）： 在 条 纹⽅向 上 ， 情 况 似 乎 恰 恰 相反：应该优先选择远离激光中⼼的条纹。使得曝光图案能够根据位置进⾏相应调整。2. 这两条规则构成了 LCDS 的核⼼。我们不再将层流惰性⽓体的流动⽅向作为唯⼀的参考点，⽽是提出以激光中⼼位置作为指导准则，这就是 LCDS 缩写所代表的含义： 通常，我们更倾向于选择朝向激光中⼼的填充向量，因为这样可以在加⼯区域添加相对较多的材料并减少材料喷射。1. 激光中⼼依赖曝光策略 初步测试已经成功验证了 LCDS。图 13展⽰了使⽤LCDS 与标准曝光⽅法相⽐所能达到的孔隙率结果。 在成型基板的 16 个位置上，我们采⽤了不同的曝光策略来布置和⽣成致密性试验块：参考基准（“流动优化”）、仅基于条纹的 LCDS 以及基于条纹和填充的 LCDS。在此设置中，所有零部件均由激光器 3 处理。 向的依赖性。因此，每台机器都有可能从这种曝光图案中受益。但显然，具有⼤型平台尺⼨和激光扫描覆盖范围的系统获益最⼤。 LCDS 设置可以单独使⽤：当不希望过多偏离当前采⽤交替填充的标准曝光图案时，可以单独使⽤这些⽅法以实现改善。通过选择条纹调整，我们已经能够获得更为出⾊的效果。 孔隙率的降低可以这样解释：材料熔化较少或没有熔化的层已⼏乎消除，因未熔合⽽导致的孔隙显著减少。图 13 中的箱形图表明，使⽤LCDS 可以降低孔数据差异性较低表明，⽆论成型基板位置如何，零部件特性均保持⼀致。 减少材料喷射：在成型过程中，加⼯区域内熔化材料的喷射情况⼤幅减少，这不仅使得整个过程更为清洁，⽽且有助于减少粉末废料和⽼化。 除 了⼀致 性 之 外 ， LCDS 还 有 其 他 优势： 不受机器影响：使⽤LCDS 的优势并不局限于特定的机器类型或制造商 。 如 图 所⽰， 即 使 是 短 距 离 场景，也已经显⽰出对条纹和填充⽅ 提⾼表⾯平整度：我们可以专⻔采⽤能够产⽣最低表⾯粗糙度的填充和条纹⽅向，以实现上⽪照射。 结论与应⽤前景 在增材制造中，我们充分利⽤了较⼤的成型区域，并且采⽤了具有全场覆盖的多激光器系统，使得扫描仪的使⽤范围得到了最⼤化的发挥。这就带来了⼀个挑战：即我们需要确保⽆论零部件位置或激光束偏转⻆度如何，都能得到⼀致且均匀的加⼯结果。在特定条件下，当前的曝光策略揭⽰出机械特性和孔隙率与激光束偏转⻆度之间存在依赖关系。经过详细研究后，我们揭⽰了加⼯结果与曝光的填充和/或条纹⽅向之间的相关性。 基于这些发现，我们开发了⼀种名为 LCDS 的新曝光策略，其曝光图案（填充/条纹）根据激光中⼼进⾏定向。初步实验成功地表明，采⽤LCDS 策略可以在整个成型基板上实现稳定、⼀致的零部件特性。 由于这些仅为初步测试，我们很快将 发 布 另⼀份 关 于 此 主 题 的⽩⽪书。敬请期待更多资讯！ 零部件特性仅供参考，EOS 不对零部件的实际特性做出任何陈述或担保，也不承担任何责任。零部件特性取决于多种影响因素，因此，实际的零部件特性可能与此处所述的信息存在偏差。 本⽂档本⾝并不代表任何零件设计的充分依据，也不提供任何关于材料或零部件的特定特性或材料或零部件对特定应⽤的适⽤性的协议或担保。实现某些零部件特性以及评估此材料对特定⽤途的适⽤性是⽤⼾的责任。 作者 Alexander Frey⾦属⼯艺⼯程师 Alexander 在因斯布鲁克⼤学获得了机电⼀体化专业的学⼠和硕⼠学位。他的硕⼠论⽂是关于增材制造领域的⼀个主题。该论⽂的核⼼研究成果在⼀篇名为“通过调整激光粉末床熔合⼯艺条件，获得IN718 单晶样微结构”的论⽂中发表。 在 EOS，他是研发部⾦属⼯艺开发团队的⼀员。他和 Sarah Brandt 共同撰写了本⽩⽪书。 联系⽅式：MetalProcessTechnology@eos.info 针对DMLS®技术的创新曝光策略 增材制造⽬前正在从原型设计发展到批量⽣产。为满⾜更⾼的⽣产效率需求，我们正在开发具有更⼤成型空间和多个激光器的⼯业3D打印机。凭借更⼤的成型基板，外加各个激光扫描单元所能实现的全⾯覆盖范围，激光束的⼊射⻆将更加平缓。零部件的质量同样不容忽视，在批量⽣产中，零部件特性出现较⼤差异是绝不允许的。 在本⽩⽪书中，我们针对⾦属激光粉末床熔合(LPBF)⼯艺，探讨了⼯艺质量对激光中⼼位置的依赖性。根据研究结果，我们提出了⼀种新的曝光策略，这种策略能够减少⼤幅偏转激光束产⽣的不良效应，同时保证在整个成型基板上实现稳定、⼀致的零部件特性。 EOS⼤中国区 易欧司光电技术（上海）有限公司 中国上海市闵⾏区光华路248号5号楼1楼 电话：+86 21 6023 0703info.cn@eos.info 总部 EOS GmbHElectro Optical Systems Robert-Stirling-Ring 182152 Krailling/Munich, Germany 电话：+49 89