大尺寸金屬3D打印制造裝備激光加工工藝技術研究與探討

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打印裝備制造技術的快速發展及智能數控技術水平的不斷提升，國產金屬3D打印加工裝備已在航空航天、軍工裝備、汽車，模具產業、健康醫療等先進制造領域獲得廣泛應用[1，2]。根據信息反饋，突破金屬3D打印制造裝備大尺寸激光選區鋪粉熔化工藝技術的瓶頸，對解決大體積、高品質金屬零件3D打印成形加工裝備的制造水平，緩解金屬3D打印質量和大尺寸相互制約以及應用細分等方面將起到一定的促進作用。

金屬3D打印裝備80%以上是激光選區熔化成形類裝備，主要源于其較廣泛的材料適應性和較高的成形精度，并且可以成形非常復雜的結構。目前，已形成了多門類的產品系列，其中較為著名的國外裝備公司有EOS、SLM Solution、Concept Laser、Renishaw、3D system等，相關國外裝備的成熟性、穩定性和一致性已被認可。這些企業裝備種類較為齊全，特別是成形尺寸的跨度從十幾毫米到1m以上。國內現已有多家金屬3D打印裝備制造企業開始研發大尺寸成形設備，其中，天津鐳明激光科技有限公司研發生產的相關裝備已形成系列產品，并已在航空航天、軍工生產等高端制造領域獲得應用，正在逐步縮小與國外同類設備制造水平的差距。

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，但根據應用端的需求來看，基于激光選區熔化技術的此類裝備具有明顯優勢。但是，受限于以下幾點，其研制也較為困難。

1）以激光為能量源、振鏡為運動控制的模式，采用單一光源和單一光學系統會限制其成形幅面，同時其成形效率也較為低下，必須采用多光源多光學系統[3]。那么這隨之將帶來掃場拼接、風場設置、光斑一致性等很多復雜問題。

2）隨著成形體積的增加，在一次成形過程中激光產生的煙塵總量和單位時間的煙塵量都將急劇上漲。由于煙塵的存在必然會影響激光的透過率以及一致性，從而影響到整個零部件的質量，因此除塵效率和腔室內的風場顯得格外重要，但卻異常棘手。

3）由于復雜的結構設置、光學設置以及潔凈系統設置等，使得控制系統的建立成為一個非常復雜的系統工程，所以如何控制、監測并反饋裝備的運行成為更加難解決的問題。

4）在這些條件下，成形一個由數萬層結構和千萬數量級的熔覆道構成的零部件，顯然工藝參數的設置也是難題。因此必須針對這些難點提出解決方案，并在實踐中解決上述問題，打通從硬件到軟件再到工藝的研究通道，實現大尺寸高深寬比金屬零部件3D打印裝備的成功研制和應用。

2 研發實施重點與方法的探討

2.1 大尺寸高深寬比金屬3D打印裝備整機設計

大尺寸高深寬比金屬零部件3D打印裝備的設計制造從需求端開始，以航空航天行業金屬零部件為對象，瞄準大尺寸高深寬比類型零部件，分析產品需求和工藝需求，明確裝備基本原理和類型，結合豐富的同類裝備設計經驗，制定總體設計方案。分析大尺寸、高深寬比等特點帶來的軟硬件難題，采用光學拼接方案、移動腔體方案等解決零部件尺度問題，對拼接方案、Z軸方案、密封方案、取件方案等進行研究和試驗驗證，最終通過分析3D打印裝備制備的零部件組織、成分、力學性能等指標，確定裝備各組件的合理性以及整套裝備的產品實用性。

2.2 加工腔室內潔凈度控制

通過對大尺寸零部件的激光選區熔化工藝過程的分析和對常規尺寸裝備開發經驗的了解，方案設計擬改進和優化接近系統。在濾塵效率方面，濾塵系統采用自研的旋風分離結構，先行過濾較大顆粒，配合優化的三級濾芯，進一步提高濾塵效率，并采用反吹除塵器定時去除濾芯上附著的細小顆粒，增加濾芯使用壽命，減少更換濾芯對產品質量的影響。在腔體潔凈效率方面，清潔風場采用多通道輸入輸出設計，通過增加風道、控制流量、溢出校正等方式形成高效的清潔風場，增強激光透過率和能量輸入穩定性，進一步控制熔池穩定性，提升產品質量。

2.3 多激光束掃描光學系統優化和控制系統設計

激光選區熔化技術以激光為能量源，采用多激光束掃描方案，如圖1所示。

圖1 多激光束掃描選區熔化控制系統

采用這樣設計方案有如下優點：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效率，另一方面通過較短的工作距離避免了大量保護氣體的浪費，同時其光斑質量因其所匹配的光學系統而在整個掃描幅面的偏差值優于采用單束激光所使用的光學系統，使得激光作用形成的熔池在全加工幅面具有更優秀的一致性，提升工藝穩定性。通過調整和測試光學系統方案，獲得最佳的尺度、效率、質量的平衡點。采用移植和創新的方式，自行研制多光束控制系統，控制各激光束依據設計好的運動軌跡熔化粉末。運動軌跡的規劃充分考慮工藝特點、風場特點、性能要求等方面，形成交叉搭接、隨機間隔、區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性能，最終形成完善的光學與控制系統解決方案。

2.4 大尺寸高深寬比金屬3D打印工藝方案設計

本裝備設計中引入的新技術、新結構，不僅僅是簡單的工藝重復和疊加，還需要充分考慮它們所帶來的新問題和新難點。摒棄以往只注重能量輸入調整、原材料性能調整的簡單處理方式，創新工藝設計方法和思維方式，吸納光學設計、流體設計中的一些方法，同時把自研的路徑規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 工藝技術路線及可行性實施

工藝技術路線流程如圖2所示。

圖2 工藝技術路線流程

激光選區熔化成形技術是當今主流的金屬3D打印技術之一，成形的零部件尺寸精度高、表面質量好、性能優異，可具有非常復雜的形狀結構，相比其他金屬3D打印技術優勢顯著。目前，我國在常規尺寸的金屬零部件激光選區熔化成形技術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上還具有較明顯的差距，特別表現在裝備穩定性和產品一致性上。隨著金屬零部件尺寸的不斷增加，僅僅通過3D打印工藝參數調整難以實現其高精度成形，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，保證最終產品質量和穩定性。

天津鐳明激光科技有限公司具有多年從事金屬3D打印裝備研發的技術基礎，以及大尺寸成形件服務加工的工藝基礎。裝備研發方面，從TSC-350系列到LM-150、LM-260等系列已經過多次迭代并量產，數臺該類型設備已裝備于航空航天企業和知名科研院所，長期運行穩定可靠，打印的部分零部件已用于型號產品的開發和前期驗證中。經過長期的研發、改進、生產，我們在整機結構設計、光學設計、風場設計、軟件及算法設計、潔凈系統設計、預熱結構設計與粉床監測等方面積累了豐富的研發和生產經驗，同時培養了一批綜合素質高、專業技能過硬的技術團隊，為方案設計裝備的研制提供技術創新保障。目前已量產的LM-X260A金屬3D打印成套裝備如圖3所示。激光選區熔化設備成形尺寸達到250mm×250mm×420mm，在國內外同類型設備中具有最高的成形尺寸，解決了很多困擾工藝開發人員的裝備限制性難題。

圖3 LM-X260A金屬3D打印成套裝備

該設備長期運行穩定，加工的高度400m m零件工藝性能優良，產品的性能、精度、表面質量都達到行業領先水平。與此同時，成形尺寸為400mm×400mm×500mm的激光選區熔化設備LM-400A已完成前期研發任務并進入試制階段。根據已有的研究背景以及前面論述的技術思路、技術方案與可行性實施，現已取得了多激光、大幅面、高尺寸可定制化選區激光熔化系列裝備的突破性研究成果。

鋪粉系統：結構簡單穩定，粉量可控，可實現20～120μm的層厚；避免引入氧氣，實時供粉；雙刮刀鋪粉，縮短打印時間。

監控系統：雙攝監控，實時拍攝每次的鋪粉及打印結果，便于遠程監控。

控制軟件：配合專用運動控制系統自主研發，配合進口伺服驅動器，引進全球先進品牌（比利時Materialise）的模型處理軟件Magics和BP等。

綜上所述，該裝備在研發設計過程中已對大尺寸腔體、光學方案、潔凈風場及復雜系統集成等方面進行了分析，并將在調試過程中對上述設計進行驗證和總結，并且依托該型號設備，可提前對方案設計大尺寸高深寬比金屬零部件3D打印裝備的部分結構和功能進行驗證，降低本項目實施的風險。以上相關裝備成功的研發試制經驗，均體現了自主研發激光選區熔化成形工藝技術的可行性、穩定性和實用性。

4 結束語

中國是工業制造大國，正在向智能制造強國邁進。隨著航空航天、軍工制造、精密機械加工等高端領域的發展，國內對大尺寸工件的金屬3D打印需求越來越大，具有自主知識產權的國產化裝備正在逐步替代進口裝備。但是，面對國際相關裝備技術和加工工藝水平，國產裝備的研發和應用剛起步，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水平，對實現國產整機裝備應用的實用化、規模化有著重要的意義。