王冠博，李建杰，何剛文，馬治博，羅倩菲，邵乙迪，張士亨

（季華實驗室新型增材制造研究院，廣東 佛山 528000）

增材制造（3D 打?。┘夹g被譽為將引領“第三次工業(yè)革命”的關鍵技術之一，近年來在各個領域不斷取得重大突破，在推動傳統(tǒng)工業(yè)體系分化變革的同時，也在重塑制造業(yè)國際分工格局。

1 研究背景

近年來，金屬3D 打印的技術及市場應用得到突飛猛進的發(fā)展[1]，而整個金屬3D 打印領域，也有一個明顯的趨勢：在航空航天和軍工的市場需求下，打印體積越來越大[2]。全球范圍內(nèi)金屬3D 打印機制造商，包括鉑力特、EOS、SLM Solutions、Concept Laser 等世界著名企業(yè)推出的重量級設備均越來越大，逐步解決大型復雜金屬結構件難以生產(chǎn)的問題，和中小型工業(yè)級SLM（Selective Laser Melting）金屬3D 打印比，大型金屬3D 打印機不僅成形尺寸大幅增大，成形效率大幅提高，且生產(chǎn)成本成倍數(shù)下降，因此能更廣泛地應用在航空航天、軍工、模具、醫(yī)療和汽車行業(yè)等領域。然而，在大尺寸SLM 裝備開發(fā)過程中也存在著諸多挑戰(zhàn)[3-4]，具體如下。

隨著成形體積的大幅度提高，打印幅面大幅度變大，其倉內(nèi)風場結構設計將面臨復雜的技術挑戰(zhàn)，同時在通過增加光學系統(tǒng)數(shù)量換取提高設備打印效率的前提下，在多激光同時工作的打印情況下，激光燒結所產(chǎn)生的大量煙塵顆粒同樣給設備風場帶來更大的負擔；在多激光協(xié)同工作的前提下，保證多激光光源的光斑一致性及精準搭接，在設備開發(fā)過程中同樣存在諸多需要解決的技術難題；從控制角度出發(fā)，往往大尺寸設備為完成一個大尺寸零件的打印任務需要花費數(shù)日甚至數(shù)月的時間，通過一層層切片堆疊起來的數(shù)萬層切片數(shù)據(jù)，需要通過設備長時間穩(wěn)定掃描完成，每層厚30～100 μm，不得有半點誤差，因此在整機的邏輯控制層面及對設備的穩(wěn)定性都有著極高的要求。

2 研發(fā)實施重點及方法

2.1 大尺寸金屬3D 打印設備風場結構設計

設備風場的作用在于有效清除打印過程中打印倉體內(nèi)激光燒結所產(chǎn)生飛濺、煙塵及金屬蒸汽等不利于金屬成形的污染物，并形成用于保護振鏡區(qū)域和元器件的保護層，從而有效確保3D 打印加工質(zhì)量[5]，因此設備風場的表現(xiàn)對成形質(zhì)量起到至關重要的作用[6]。通過實際應用分析及具體仿真設計，采用多流道分流風路結構方案，如圖1 所示。

圖1 多流道分流風路結構

將進風口布局在打印倉室右側(cè)的上下位置，分別為水平氣體入口及斜向氣體入口，分別對應打印平面及振鏡位置，利用過濾器端風機所產(chǎn)生的新風將各自區(qū)域所產(chǎn)生或存在的煙塵吹走。同時在水平氣體入口后端設計安置均布圓孔擋板，主要作用在于配合風口中的翅片式流道設計，將點氣源盡可能地轉(zhuǎn)換成線氣源，并使之均勻化，并且在斜向氣體入口后端設計安置3 向分流裝置，主要作用在于將上端的風道一分為三，具體如下：①吹向振鏡保護鏡片位置，防止煙塵污染到振鏡保護玻璃；②以45°斜向水平氣體出口位置，輔助將燒結過程中所產(chǎn)生的煙塵吹向出風口位置；③以垂直水平氣體入口位置向下吹入氣體，避免打印過程中煙塵在打印倉側(cè)壁駐留并粘貼在表面。

通過仿真模擬計算，其結果呈現(xiàn)出較為理想狀態(tài)，如圖2 所示。水平方向的風速顯示較為均勻，在橫向的各位置并沒有過多的風速差異，同時在斜向送風口位置，其主要風量出現(xiàn)在斜45°向排風口位置，次要風量呈現(xiàn)在保護振鏡保護鏡片位置，并且在打印倉側(cè)壁位置，同樣會產(chǎn)生一小部分風量來確保側(cè)壁清潔。最終通過實際測試，實測在基板不同位置25 個點的風速值及實際打印過程所呈現(xiàn)的情況，基本符合設計要求，可以將打印過程中所產(chǎn)生的絕大部分煙塵帶走。風速測試及實際打印情況如圖3 所示。

圖2 多流道分流風路流場仿真

圖3 風速測試及實際打印情況

2.2 大尺寸金屬3D 打印設備多激光掃描搭接

在提升設備打印效率的前提下，增加激光光源數(shù)量對提高設備打印效率能起到最為直接的作用[7]，但是將多激光精準搭接同樣面臨較為復雜的難題[8]。在設備開發(fā)調(diào)試階段，首先通過將各自光路的焦點位置調(diào)節(jié)到所設計高度，然后利用二次元光學影像系統(tǒng)將各自光路以網(wǎng)格化方式進行打印區(qū)域范圍內(nèi)的自校準，再通過擬不同光路打印不同形狀的圖案并進行類似“靠攏”的方式進行測試及補償，其核心思路在于將其中一個光路作為基準，將補償其他光路與基準光路所產(chǎn)生的位置誤差，通過多次校準迭代完成最終多激光精準搭接的目的，如圖4 所示。

圖4 單光路及多激光搭接校準

通常情況，在機械層面安裝過程中并無過大誤差條件下，往往通過1～2 次搭接校準即可將搭接精度大幅度提高。搭接精度的提高意味著滿幅面打印過程中，因光學掃描位置差異所導致的精度及成形誤差減少。在搭接精度控制在成形要求條件下，光斑一致性及激光一致性同樣非常重要，光斑一致性主要表現(xiàn)在光斑的圓度、尺寸及光束質(zhì)量方面，對于掃描線長及掃描間距等參數(shù)起到至關重要的影響作用。圖5 為雙激光器功率校準前后的情況，在激光器出廠時或長時間使用后，激光器的功率往往會出現(xiàn)不同程度的波動和不一致，因此校準激光器的功率，確保多激光在燒結過程中各自光路激光功率的一致性同樣重要。

圖5 多激光功率校準結果

光斑尺寸往往關系著設備可成形最小尺寸精度，對于大尺寸金屬3D 打印設備來說，光斑尺寸往往設定在80～100 μm 之間[9]。在光路設計初期，當選用二軸振鏡時，光路搭配往往包含了激光器、準直鏡、擴束鏡、二軸振鏡及場鏡等，可通過調(diào)節(jié)擴束鏡的設定值，來調(diào)節(jié)光斑尺寸的大??；同樣在光路設計初期，當選用三軸振鏡時，也就是所謂的動態(tài)聚焦系統(tǒng)，那么光路搭配往往包含了激光器、準直鏡、動態(tài)聚焦系統(tǒng)及振鏡，其原理是通過利用動態(tài)聚焦系統(tǒng)相對較長的瑞利長度，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光斑的尺寸，同樣達到相對較好的效果[10-12]。對于光斑形貌及光束質(zhì)量的測量，往往要利用專業(yè)的光斑分析儀等測量工具，其方法在于首先確定好焦平面的位置，將激光攝入測量儀器中，通過在X軸及Y軸方向測得的尺寸，最終形成光斑形貌的具體樣式；同時利用聚焦離焦不同狀態(tài)下測量的數(shù)據(jù)，最終擬合得出光束質(zhì)量的結果。

3 結束語

本文闡述了佛山季華實驗室下屬新型增材制造研究院所自主開發(fā)的大尺寸金屬增材制造裝備關于風場及光學校準方面的過程經(jīng)驗。中國金屬增材制造產(chǎn)業(yè)尚未形成“材料—工藝—裝備—應用”的科研和制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈，還處于對材料、打印裝備和打印工藝參數(shù)的研究和積累階段，因此加快提升和完善大尺寸金屬增材制造裝備及相關工藝水平，對實現(xiàn)中國在高端制造領域的市場化、規(guī)?；兄喈斨匾囊饬x。并且季華實驗室新型增材制造研究院力爭結合團隊工藝材料開發(fā)和金屬粉末霧化裝備及工藝研發(fā)平臺，盡早實現(xiàn)以覆蓋核心技術鏈為研發(fā)中心、以科研為基礎、以工程化及應用化為目標導向、以佛山本土先進制造為極核，共同引領粵港澳大灣區(qū)增材制造技術快速發(fā)展的美好愿景。