目前在企業(yè)的批量生產(chǎn)中，釋放增材制造的潛力并讓企業(yè)獲得盈利，需要重點(diǎn)關(guān)注兩件事：一是采用與傳統(tǒng)工藝方法相同或更低的成本制造零部件；二是生產(chǎn)出與傳統(tǒng)工藝同等質(zhì)量水平的產(chǎn)品。當(dāng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這兩種目的時(shí)，增材制造應(yīng)用進(jìn)入持續(xù)生產(chǎn)的可能性就變得非常低。

鉆頭的微型模擬圖

一旦應(yīng)用增材制造技術(shù)，除了能給廠商帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益外，還可以獲得極大的設(shè)計(jì)自由度和靈活的生產(chǎn)鏈。例如在沒(méi)有大存儲(chǔ)備材的情況下，廠商可以根據(jù)客戶(hù)需求快速生產(chǎn)出零部件。

但是，影響單位制件成本的最大因素仍然是增材制造系統(tǒng)的生產(chǎn)率。近期，作者和EOS公司創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的同事們開(kāi)發(fā)出一種用于3D金屬打印的“輕型發(fā)動(dòng)機(jī)”，可以將建造時(shí)間縮短到5的倍數(shù)級(jí)，從而大大提升了生產(chǎn)效率。

增強(qiáng)工具組以獲得生產(chǎn)力

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)增材制造工藝能夠滿(mǎn)足高質(zhì)量和精確的要求，但在加工大體積零件上卻受限。想象一下你需要用一把小刷子去刷一個(gè)大房間，小刷子可以刷到任何角落，但刷完房間所有表面既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。很明顯，更合理的做法是使用滾筒，這樣你就能快速地刷完整個(gè)房間。在增材制造領(lǐng)域，類(lèi)似合乎邏輯的做法就是擴(kuò)展現(xiàn)有的工具組。

在激光粉末床熔化（LPBF）中，激光光束與粉末相互作用的形狀是影響熔化過(guò)程的主要因素。EOS公司創(chuàng)新管理部門(mén)的Anoush，對(duì)此就寫(xiě)了一篇關(guān)于操縱多種激光光束，以激發(fā)金屬零部件在增材制造領(lǐng)域潛在價(jià)值的文章?，F(xiàn)在，在一臺(tái)增材制造機(jī)器上做出任何大小和形狀的激光光斑已不再困難。

EOS 公司創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與合作伙伴開(kāi)發(fā)了一種新型光學(xué)系統(tǒng)，可在連續(xù)光斑尺寸范圍內(nèi)形成數(shù)千瓦激光功率

事實(shí)上，有一種更直接的解決方案適合今天的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，即擴(kuò)大高斯激光的光斑直徑。通過(guò)這種方式并配合高功率激光系統(tǒng)，就能在短時(shí)間內(nèi)向材料注入更多的能量，加速熔化過(guò)程。

但除了擴(kuò)大光斑直徑外，你可能還需要對(duì)光斑點(diǎn)進(jìn)行精確定位，從而使得加工件擁有銳利的邊緣和出色的細(xì)節(jié)。需要注意的是，你所選擇的工具組需要足夠靈活，以便為不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇正確位置，同時(shí)還能承受住生產(chǎn)過(guò)程中高功率激光的沖擊。

在嘗試擴(kuò)大光斑直徑的過(guò)程中，研發(fā)人員遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)是在整個(gè)激光工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的預(yù)定光斑直徑和強(qiáng)度分布，偏差引起的工藝波動(dòng)會(huì)使生產(chǎn)部件出現(xiàn)材料缺失。但因?yàn)椴捎昧顺臀展鈱W(xué)元件，其數(shù)千瓦激光功率對(duì)工作區(qū)域強(qiáng)度分布的影響降低了4倍。

此外，研究人員正在研發(fā)一種與掃描儀分開(kāi)安裝的創(chuàng)新內(nèi)聯(lián)測(cè)量系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光流性能。采用這種方法，不僅可以通過(guò)反饋回路控制消除在加工過(guò)程最后產(chǎn)生的殘留物，還可以為高端工業(yè)認(rèn)證生產(chǎn)系統(tǒng)建立起巨大優(yōu)勢(shì)。例如在航空航天領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)“SAEAMS7003激光粉末熔床工藝”要求用戶(hù)在生產(chǎn)過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)控增材制造系統(tǒng)的光路，以確保必要的質(zhì)量水平。

為了實(shí)現(xiàn)工藝及應(yīng)用開(kāi)發(fā)所需的最大靈活性，其工藝軟件也需要能夠修改，以允許直接分配參數(shù)特定的光斑尺寸?，F(xiàn)在，研發(fā)人員通過(guò)該裝置可以根據(jù)不同參數(shù)（例如輪廓、填充、下層、上層等）設(shè)置不同的光斑點(diǎn)，甚至可以根據(jù)不同的光斑類(lèi)型做出調(diào)整，以?xún)?yōu)化每部分區(qū)域的能量輸入。

由不同大小光斑矢量組成的單一曝光產(chǎn)生的熔化軌跡

為了挖掘增材制造工藝的潛力，研究人員在EOSM280實(shí)驗(yàn)室機(jī)器上安裝了這種光學(xué)系統(tǒng)，并搭載了1000W激光頭，它們非常適合快速和靈活的工藝實(shí)驗(yàn)。接下來(lái)，研究人員還進(jìn)行了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，包括構(gòu)建了一個(gè)316升立方體，其過(guò)程包含了多種關(guān)鍵工藝變量，如光斑大小、激光功率、掃描速度和剖面線(xiàn)距離等，立方體的層厚為80微米。

在對(duì)這些樣品進(jìn)行分析后，研究人員對(duì)構(gòu)建速率增加的可行性以及材料密度有了大致了解。在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)316升高質(zhì)量范圍內(nèi)，可以增加倍數(shù)級(jí)為3的體積率，但仍然可以得到完全致密的材料。以各鑄造工藝的質(zhì)量水平為參考，甚至可能將體積率提高到原先的4-5倍。

通過(guò)對(duì) 316 升密度立方體的高激光功率和大激光光斑直徑的的可行性研究，得出了密度隨體積率變化的結(jié)果

當(dāng)然這些并不是最終結(jié)果，很多想法和改進(jìn)方案仍可以添加其中，不斷突破原來(lái)的限制。我們想要強(qiáng)調(diào)的是，不要同時(shí)做太多的選擇，否則你會(huì)得到與預(yù)期不一樣的結(jié)果。EOS公司有非常創(chuàng)新的曝光、優(yōu)化和微調(diào)模式，盡管現(xiàn)在還不能為商業(yè)產(chǎn)品所用。

從實(shí)驗(yàn)室踏入現(xiàn)實(shí)世界

測(cè)試樣品是評(píng)價(jià)材料性能時(shí)必須做的一件事，但部分材料的形狀過(guò)于簡(jiǎn)單以至于不能反映預(yù)期的光譜設(shè)計(jì)應(yīng)用。不同的表面角度和壁厚對(duì)未證明參數(shù)集的可建性影響很大。為了確定新技術(shù)基準(zhǔn)，研發(fā)人員在測(cè)試時(shí)安裝了一個(gè)小型模擬鉆頭模型機(jī)，并在其內(nèi)設(shè)置了最具應(yīng)用前景的最大生產(chǎn)率參數(shù)。

這些鉆頭通常在開(kāi)采地下水、熱能和其他地下資源時(shí)使用，由極硬碳化鎢制成的刀具所組成。該鉆頭是一個(gè)非常大的部件，因此很適合測(cè)試高容量率參數(shù)。正如預(yù)期的那樣，第一次建構(gòu)試驗(yàn)成功了，等待最后零部件成品的時(shí)間非常短。這就是開(kāi)發(fā)高效生產(chǎn)系統(tǒng)的樂(lè)趣所在，你不需要非常耐心就能得到測(cè)試結(jié)果反饋。

用分段法制造葉輪的微型模擬圖

測(cè)試樣品表面的效果令人滿(mǎn)意，由于上下層參數(shù)調(diào)優(yōu)選項(xiàng)仍有許多未使用，因此仍有很大的優(yōu)化潛力。通常，工程師建造一個(gè)搭配M290建構(gòu)平臺(tái)的250毫米鉆頭，需要耗時(shí)400小時(shí)以上，相當(dāng)于不間斷用3D打印技術(shù)連續(xù)作業(yè)17天。順便提一下，現(xiàn)在已經(jīng)有客戶(hù)在運(yùn)行時(shí)使用了這樣的應(yīng)用方法。在使用新參數(shù)后，構(gòu)建作業(yè)的工時(shí)是82小時(shí)左右，意味著減少了80%的時(shí)間。與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相比，采用這樣的方法至少可以將成本降低一半。

生產(chǎn)力和細(xì)節(jié)的結(jié)合

重新編碼的過(guò)程非常順利，以至于研究人員已經(jīng)接受下一個(gè)挑戰(zhàn)，嘗試分段構(gòu)建過(guò)程。為了將精細(xì)剖面的分辨率與較大區(qū)域的生產(chǎn)率結(jié)合起來(lái)，有必要將不同粉末層厚度的使用組合在一起。在流程工序中，研發(fā)人員按照特定分段對(duì)CAD文件進(jìn)行分割，并在流程軟件中應(yīng)用不同參數(shù)。

測(cè)試分段構(gòu)建的零部件是一個(gè)小型模擬葉輪，例如水泵。為了造出這種薄葉片，研究人員選擇了標(biāo)準(zhǔn)層厚參數(shù)40微米，而對(duì)大塊零部件則采用了雙層80微米的高效生產(chǎn)率參數(shù)。

將此策略應(yīng)用于M290建筑平臺(tái)上的4個(gè)直徑為120毫米的葉輪，可將制造時(shí)間從150小時(shí)縮短至48小時(shí)。最后，新研制的小型葉輪試驗(yàn)也順利完成。在重涂流程中，兩種不同層厚度的組合沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。

結(jié)論

在對(duì)316升密度立方體進(jìn)行可行性研究后，研究人員得出結(jié)論：結(jié)合高激光功率采用更大光斑進(jìn)行加工具有巨大潛力，可以將增材制造過(guò)程的速度提升至5的倍數(shù)級(jí)，并顯著降低每個(gè)零部件的成本。研究人員在試驗(yàn)階段采用的是M280，轉(zhuǎn)向工業(yè)系列生產(chǎn)后，客戶(hù)可以選擇EOSM400、EOSM404或M304等機(jī)型。

當(dāng)然，新的光學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段已經(jīng)將這些機(jī)型考慮在內(nèi)，離實(shí)現(xiàn)只有一步之遙。除了自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)外，這些生產(chǎn)機(jī)器還將通過(guò)重復(fù)輸入來(lái)減少額外的構(gòu)建時(shí)間。在多頭系統(tǒng)中，構(gòu)建速度還能再增加4倍。因此，這項(xiàng)技術(shù)很容易擴(kuò)展到四頭激光器上。換句話(huà)說(shuō)，與直接采用單頭400W系統(tǒng)相比較，采用這項(xiàng)技術(shù)的四頭激光器能使生產(chǎn)率總體提升12-20倍。