程錦澤

天津鐳明激光科技有限公司 天津 300380

1 序言

近些年，隨著金屬3D打印裝備制造技術(shù)的快速發(fā)展及智能數(shù)控技術(shù)水平的不斷提升，國產(chǎn)金屬3D打印加工裝備已在航空航天、軍工裝備、汽車，模具產(chǎn)業(yè)、健康醫(yī)療等先進(jìn)制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1，2]。根據(jù)信息反饋，突破金屬3D打印制造裝備大尺寸激光選區(qū)鋪粉熔化工藝技術(shù)的瓶頸，對(duì)解決大體積、高品質(zhì)金屬零件3D打印成形加工裝備的制造水平，緩解金屬3D打印質(zhì)量和大尺寸相互制約以及應(yīng)用細(xì)分等方面將起到一定的促進(jìn)作用。

金屬3D打印裝備80%以上是激光選區(qū)熔化成形類裝備，主要源于其較廣泛的材料適應(yīng)性和較高的成形精度，并且可以成形非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。目前，已形成了多門類的產(chǎn)品系列，其中較為著名的國外裝備公司有EOS、SLM Solution、Concept Laser、Renishaw、3D system等，相關(guān)國外裝備的成熟性、穩(wěn)定性和一致性已被認(rèn)可。這些企業(yè)裝備種類較為齊全，特別是成形尺寸的跨度從十幾毫米到1m以上。國內(nèi)現(xiàn)已有多家金屬3D打印裝備制造企業(yè)開始研發(fā)大尺寸成形設(shè)備，其中，天津鐳明激光科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的相關(guān)裝備已形成系列產(chǎn)品，并已在航空航天、軍工生產(chǎn)等高端制造領(lǐng)域獲得應(yīng)用，正在逐步縮小與國外同類設(shè)備制造水平的差距。

雖然大尺寸高深寬比金屬零部件3D打印裝備可以有幾種形式，但根據(jù)應(yīng)用端的需求來看，基于激光選區(qū)熔化技術(shù)的此類裝備具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是，受限于以下幾點(diǎn)，其研制也較為困難。

1）以激光為能量源、振鏡為運(yùn)動(dòng)控制的模式，采用單一光源和單一光學(xué)系統(tǒng)會(huì)限制其成形幅面，同時(shí)其成形效率也較為低下，必須采用多光源多光學(xué)系統(tǒng)[3]。那么這隨之將帶來掃場(chǎng)拼接、風(fēng)場(chǎng)設(shè)置、光斑一致性等很多復(fù)雜問題。

2）隨著成形體積的增加，在一次成形過程中激光產(chǎn)生的煙塵總量和單位時(shí)間的煙塵量都將急劇上漲。由于煙塵的存在必然會(huì)影響激光的透過率以及一致性，從而影響到整個(gè)零部件的質(zhì)量，因此除塵效率和腔室內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)顯得格外重要，但卻異常棘手。

3）由于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)置、光學(xué)設(shè)置以及潔凈系統(tǒng)設(shè)置等，使得控制系統(tǒng)的建立成為一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所以如何控制、監(jiān)測(cè)并反饋裝備的運(yùn)行成為更加難解決的問題。

4）在這些條件下，成形一個(gè)由數(shù)萬層結(jié)構(gòu)和千萬數(shù)量級(jí)的熔覆道構(gòu)成的零部件，顯然工藝參數(shù)的設(shè)置也是難題。因此必須針對(duì)這些難點(diǎn)提出解決方案，并在實(shí)踐中解決上述問題，打通從硬件到軟件再到工藝的研究通道，實(shí)現(xiàn)大尺寸高深寬比金屬零部件3D打印裝備的成功研制和應(yīng)用。

2 研發(fā)實(shí)施重點(diǎn)與方法的探討

2.1 大尺寸高深寬比金屬3D打印裝備整機(jī)設(shè)計(jì)

大尺寸高深寬比金屬零部件3D打印裝備的設(shè)計(jì)制造從需求端開始，以航空航天行業(yè)金屬零部件為對(duì)象，瞄準(zhǔn)大尺寸高深寬比類型零部件，分析產(chǎn)品需求和工藝需求，明確裝備基本原理和類型，結(jié)合豐富的同類裝備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，制定總體設(shè)計(jì)方案。分析大尺寸、高深寬比等特點(diǎn)帶來的軟硬件難題，采用光學(xué)拼接方案、移動(dòng)腔體方案等解決零部件尺度問題，對(duì)拼接方案、Z軸方案、密封方案、取件方案等進(jìn)行研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終通過分析3D打印裝備制備的零部件組織、成分、力學(xué)性能等指標(biāo)，確定裝備各組件的合理性以及整套裝備的產(chǎn)品實(shí)用性。

2.2 加工腔室內(nèi)潔凈度控制

通過對(duì)大尺寸零部件的激光選區(qū)熔化工藝過程的分析和對(duì)常規(guī)尺寸裝備開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的了解，方案設(shè)計(jì)擬改進(jìn)和優(yōu)化接近系統(tǒng)。在濾塵效率方面，濾塵系統(tǒng)采用自研的旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)，先行過濾較大顆粒，配合優(yōu)化的三級(jí)濾芯，進(jìn)一步提高濾塵效率，并采用反吹除塵器定時(shí)去除濾芯上附著的細(xì)小顆粒，增加濾芯使用壽命，減少更換濾芯對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。在腔體潔凈效率方面，清潔風(fēng)場(chǎng)采用多通道輸入輸出設(shè)計(jì)，通過增加風(fēng)道、控制流量、溢出校正等方式形成高效的清潔風(fēng)場(chǎng)，增強(qiáng)激光透過率和能量輸入穩(wěn)定性，進(jìn)一步控制熔池穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 多激光束掃描光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光選區(qū)熔化技術(shù)以激光為能量源，采用多激光束掃描方案，如圖1所示。

圖1 多激光束掃描選區(qū)熔化控制系統(tǒng)

采用這樣設(shè)計(jì)方案有如下優(yōu)點(diǎn)：一方面增加總能量輸入，在不影響零部件精度的條件下提高生產(chǎn)效率，另一方面通過較短的工作距離避免了大量保護(hù)氣體的浪費(fèi)，同時(shí)其光斑質(zhì)量因其所匹配的光學(xué)系統(tǒng)而在整個(gè)掃描幅面的偏差值優(yōu)于采用單束激光所使用的光學(xué)系統(tǒng)，使得激光作用形成的熔池在全加工幅面具有更優(yōu)秀的一致性，提升工藝穩(wěn)定性。通過調(diào)整和測(cè)試光學(xué)系統(tǒng)方案，獲得最佳的尺度、效率、質(zhì)量的平衡點(diǎn)。采用移植和創(chuàng)新的方式，自行研制多光束控制系統(tǒng)，控制各激光束依據(jù)設(shè)計(jì)好的運(yùn)動(dòng)軌跡熔化粉末。運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃充分考慮工藝特點(diǎn)、風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)、性能要求等方面，形成交叉搭接、隨機(jī)間隔、區(qū)間避讓等多種激光束控制方式，避免形成光斑重疊、能量阻隔、拼接單薄等缺陷，保證最終零部件的力學(xué)性能，最終形成完善的光學(xué)與控制系統(tǒng)解決方案。

2.4 大尺寸高深寬比金屬3D打印工藝方案設(shè)計(jì)

本裝備設(shè)計(jì)中引入的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)，不僅僅是簡(jiǎn)單的工藝重復(fù)和疊加，還需要充分考慮它們所帶來的新問題和新難點(diǎn)。摒棄以往只注重能量輸入調(diào)整、原材料性能調(diào)整的簡(jiǎn)單處理方式，創(chuàng)新工藝設(shè)計(jì)方法和思維方式，吸納光學(xué)設(shè)計(jì)、流體設(shè)計(jì)中的一些方法，同時(shí)把自研的路徑規(guī)劃方式和熔池控制方法納入工藝方案中，形成大尺寸高深寬比金屬零件3D打印的整體解決方案[4]。

3 工藝技術(shù)路線及可行性實(shí)施

工藝技術(shù)路線流程如圖2所示。

圖2 工藝技術(shù)路線流程

激光選區(qū)熔化成形技術(shù)是當(dāng)今主流的金屬3D打印技術(shù)之一，成形的零部件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、性能優(yōu)異，可具有非常復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，相比其他金屬3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。目前，我國在常規(guī)尺寸的金屬零部件激光選區(qū)熔化成形技術(shù)上與國外差距越來越小，但是在大尺寸高深寬比金屬零部件3D打印的裝備和工藝開發(fā)上還具有較明顯的差距，特別表現(xiàn)在裝備穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性上。隨著金屬零部件尺寸的不斷增加，僅僅通過3D打印工藝參數(shù)調(diào)整難以實(shí)現(xiàn)其高精度成形，目前亟需從3D打印裝備入手，研制各類適用于大尺寸金屬零部件成形的新型配套硬件，保證最終產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。

天津鐳明激光科技有限公司具有多年從事金屬3D打印裝備研發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，以及大尺寸成形件服務(wù)加工的工藝基礎(chǔ)。裝備研發(fā)方面，從TSC-350系列到LM-150、LM-260等系列已經(jīng)過多次迭代并量產(chǎn)，數(shù)臺(tái)該類型設(shè)備已裝備于航空航天企業(yè)和知名科研院所，長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定可靠，打印的部分零部件已用于型號(hào)產(chǎn)品的開發(fā)和前期驗(yàn)證中。經(jīng)過長(zhǎng)期的研發(fā)、改進(jìn)、生產(chǎn)，我們?cè)谡麢C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)、風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)、軟件及算法設(shè)計(jì)、潔凈系統(tǒng)設(shè)計(jì)、預(yù)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與粉床監(jiān)測(cè)等方面積累了豐富的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)培養(yǎng)了一批綜合素質(zhì)高、專業(yè)技能過硬的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，為方案設(shè)計(jì)裝備的研制提供技術(shù)創(chuàng)新保障。目前已量產(chǎn)的LM-X260A金屬3D打印成套裝備如圖3所示。激光選區(qū)熔化設(shè)備成形尺寸達(dá)到250mm×250mm×420mm，在國內(nèi)外同類型設(shè)備中具有最高的成形尺寸，解決了很多困擾工藝開發(fā)人員的裝備限制性難題。

圖3 LM-X260A金屬3D打印成套裝備

該設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，加工的高度400m m零件工藝性能優(yōu)良，產(chǎn)品的性能、精度、表面質(zhì)量都達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。與此同時(shí)，成形尺寸為400mm×400mm×500mm的激光選區(qū)熔化設(shè)備LM-400A已完成前期研發(fā)任務(wù)并進(jìn)入試制階段。根據(jù)已有的研究背景以及前面論述的技術(shù)思路、技術(shù)方案與可行性實(shí)施，現(xiàn)已取得了多激光、大幅面、高尺寸可定制化選區(qū)激光熔化系列裝備的突破性研究成果。

鋪粉系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，粉量可控，可實(shí)現(xiàn)20～120μm的層厚；避免引入氧氣，實(shí)時(shí)供粉；雙刮刀鋪粉，縮短打印時(shí)間。

監(jiān)控系統(tǒng)：雙攝監(jiān)控，實(shí)時(shí)拍攝每次的鋪粉及打印結(jié)果，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控。

控制軟件：配合專用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)自主研發(fā)，配合進(jìn)口伺服驅(qū)動(dòng)器，引進(jìn)全球先進(jìn)品牌（比利時(shí)Materialise）的模型處理軟件Magics和BP等。

綜上所述，該裝備在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中已對(duì)大尺寸腔體、光學(xué)方案、潔凈風(fēng)場(chǎng)及復(fù)雜系統(tǒng)集成等方面進(jìn)行了分析，并將在調(diào)試過程中對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和總結(jié)，并且依托該型號(hào)設(shè)備，可提前對(duì)方案設(shè)計(jì)大尺寸高深寬比金屬零部件3D打印裝備的部分結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行驗(yàn)證，降低本項(xiàng)目實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)。以上相關(guān)裝備成功的研發(fā)試制經(jīng)驗(yàn)，均體現(xiàn)了自主研發(fā)激光選區(qū)熔化成形工藝技術(shù)的可行性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語

中國是工業(yè)制造大國，正在向智能制造強(qiáng)國邁進(jìn)。隨著航空航天、軍工制造、精密機(jī)械加工等高端領(lǐng)域的發(fā)展，國內(nèi)對(duì)大尺寸工件的金屬3D打印需求越來越大，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化裝備正在逐步替代進(jìn)口裝備。但是，面對(duì)國際相關(guān)裝備技術(shù)和加工工藝水平，國產(chǎn)裝備的研發(fā)和應(yīng)用剛起步，仍存在一定差距。因此，盡快提升、完善大尺寸金屬3D打印制造裝備激光加工工藝技術(shù)水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)整機(jī)裝備應(yīng)用的實(shí)用化、規(guī)?；兄匾囊饬x。