多激光束選區熔化成形技術研究*

劉正武 侯春杰 王聯鳳 朱小剛

(上海航天設備制造總廠，上海復雜金屬構件增材制造工程技術研究中心，上海200245)

激光選區熔化技術(selected laser melting，SLM) 是金屬增材制造領域的重要部分， 可以在無需任何模具和工裝夾具的條件下，利用光纖激光束逐層選擇性地熔化微細金屬粉末，制造任意復雜結構、尺寸精度達千分之一、接近全致密的金屬零件[1-3]。但是，現有的SLM成形大幅面零件容易產生球化、翹曲變形及裂紋等缺陷[4-6]，SLM金屬零件的致密度、組織均勻性和力學性能等綜合性能還不能完全達到鍛件的水平[1]。

多激光選區熔化技術可有效地減小零件內應力、翹曲變形，減少球化及裂紋等缺陷[5-6]，成形工藝性好、制件性能優良、材料利用率高、適用性廣和可直接制造具有復雜形狀的金屬零件等優點，尤其是適用于制造航空航天、汽車等領域具有復雜形狀的零部件[4, 7]，具有廣闊的應用前景和廣泛的應用范圍。

本文進行了多激光束選區熔化成形系統研制工作，采取模塊化的方法對各個分系統進行深入研究，并應用了多種創新性技術，成功研制出多激光束選區熔化成形設備。經過后續工藝研究，成形出高性能典型樣件。

1 新型三激光束選區熔化成形系統研制

1.1 多激光束選區熔化成形系統原理

多激光束選區熔化成形系統采用兩套激光光路系統，如圖1所示。金屬粉末熔化前采用CO2激光對待成形的粉末層進行選擇性預熱，以減小粉末層的溫度梯度；再用一束高能束激光將粉末材料選擇性熔化；最后再用CO2激光對已成形工件表面進行重熔拋光處理，以減小成形工件的表面粗糙度值和成形件內應力。通過光纖激光器與CO2激光器的雙激光協同掃描，解決了單激光一步成形引起的殘余應力大、變形開裂等難題，在保證制造效率的同時，提升了工件性能和表面質量。

1.2 鋪粉與送粉系統設計

針對SLM 成形精度控制技術難題，開發了高精度鋪送粉機構，如圖2所示。采用精密雙導軌支撐結構，保證鋪粉過程的平穩及粉床工作面的精度；同時采用高精度伺服電動機作為工作缸和送粉缸的驅動部件，采用精密絲桿作為他們的傳動部件，從而保證工作缸和送粉缸的運動精度。鋪粉過程中，電動機驅動鋪粉輥自轉，相比刮刀式等鋪粉機構，鋪粉輥與粉末及工件間的滑動摩擦可有效減小鋪粉阻力，從而減小鋪粉裝置振動幅度，提高鋪粉的平整度,保證打印的工件滿足技術指標要求。

1.3 雙激光光路系統設計

雙激光光路系統是多激光選區熔化成形系統的關鍵重要組成部分，如圖3所示。首先，通過計算選型光學組件、優化光路設計以及調教光路系統等方法實現兩套光路系統的焦平面與成形平面精確重合；其次，通過中斷和時序設計，實現兩束激光的協調控制，實現預熱后在短時間內完成熔化，以減少成形過程中產生的熱輸入，從而減小成形件的內應力；最后，通過對兩個激光光路系統的按需異步控制實現“預熱-熔化-光整”的三步成形工藝。

1.4 控制系統設計

多激光束選區熔化成形系統控制系統界面設計框架圖如圖4所示。由圖4可以看出，控制系統主要包括：(1)光路系統控制，主要用于光纖激光系統與CO2激光系統的運行控制、振鏡掃描儀XY方向運動控制、動態聚焦鏡Z方向運動控制以及兩套光路系統的協同控制等；(2)電動機與邏輯控制，主要用于鋪粉與送粉系統中成形傳動系統的控制，采用控制板卡PCI-1245對成形傳動系統的伺服電動機進行控制，并使用PCI-1756-AE進行邏輯輸入輸出控制；(3)氣動系統控制，主要用于SLM成形過程中成形腔的氣氛控制，通過對成形腔體內的氧氣含量進行檢測，同時對腔體內部的氣體壓力進行檢測，將含氧量和腔體壓力通過模擬數據采集卡反饋至PC設備之中，進行抽真空或充入氬氣，最終實現成形腔內氧含量低于0.1%。

1.5 分層切片數據處理軟件開發

針對大面積成形范圍激光難以得到有效控制的技術難題，進行了分層切片數據處理軟件的自主開發，軟件框架圖如圖5所示。通過后臺核心算法的開發實現三維模型分層切片處理，具體包括數據模型導入、模型自檢錯與自修復、懸空面等支撐面自識別與判定、工藝支撐的添加、工藝參數的設定、掃描路徑規劃、成形前平臺設定以及分層切片數據導出等。融入部分工藝信息的掃描路徑規劃算法開發[8]，解決了內應力大、翹曲變形大、致密度低、精度低的難題，實現了大面積成形范圍的均勻掃描，大大提高工件的成形精度、表面光潔度及致密度，減小翹曲變形，使得SLM成形件更容易進行后處理。

2 工程應用

經過對多激光束選區熔化成形系統中涉及的多個關鍵系統進行深入研究，成功研發出多激光束選區熔化成形設備，如圖6所示。表1為多激光SLM設備與單激光SLM設備成形316L不銹鋼零件性能對比。由表1可以看出，多激光束SLM設備成形的不銹鋼成制件性能全面優于單激光束SLM設備成形制作。此外，采用多激光選區熔化成形設備打印了航空發動機葉輪，如圖7所示。

表1 單激光與多激光 SLM成形316L不銹鋼零件性能對比

設備類型致密度/(%)拉伸強度/MPa屈服強度/MPa延伸率/(%)多激光束SLM設備99769060038雷尼紹單激光束SLM設備99166257430

3 結語

通過研究多激光束選區熔化成形系統，采用新型雙束激光復合掃描成形方法，消除金屬熔化成形過程中的內應力，較少球化、裂紋等缺陷，成功研制多激光束選區熔化成形設備。保證了零件成形質量與精度，縮短了研發周期，降低了研發成本。

[1]王華明.高性能大型金屬構件激光增材制造：若干材料基礎問題[J].中國激光, 2014，35(10): 2690-2698.

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[3] 劉正武,程序,李佳,等.激光增材制造05Cr15Ni5Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼熱處理工藝研究[J].中國激光,2017:149-156.

[4] 朱小剛,孫靖,王聯鳳,等.激光選區熔化成形鋁合金的組織、性能與傾斜面成形質量[J].機械工程材料,2017(2): 77-80.

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