在整个成型区域内实现稳定、一致的零部件特性

⽩⽪书 作者 SarahBrandt,EOS金属工艺工程师 AlexanderFrey,EOS⾦属⼯艺⼯程师 实现稳定、⼀致的零部件特性 覆盖整个成型区域 本⽩⽪书给出了以下问题的答案： 多激光器增材制造系统⾯临的挑战是什么？激光偏转的影响是什么？ LCDS等新曝光策略如何解决这些挑战？ ⽬录 多激光器系统：⽣产效率与⼀致性⼆选⼀？还是两者兼得？3 激光偏转：3D打印的挑战4 依赖位置的熔化⾏为7 LCDS兼顾⽣产效率与⼀致性！12 结论与应⽤前景14 联系⽅式16 插图⽬录 图1EOS最新的⾦属系统，EOSM300-43 图2EOSM300-4的激光扫描仪排布4 图3使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作 业的实验环境4 图4作业布局描述和断裂伸⻓率结果（制造状态，未经热处理）5 图5左侧是作业布局，右侧是样品显微照⽚的⼀部分6 业的实验环境 7 图7 展⽰作业A和作业B 7 图8 通过3D⾼度剖⾯以及曝光后的照⽚⽐较与激光中⼼距离相同的两个场区 8 图9 析填充包的⽅法 9 图10 不同填充和条纹⽅向的横截⾯图 10 图11 平均横截⾯积结果的⽐较 11 图12 激光中⼼依赖曝光策略LCDS的理论 12 图13 激光器3：不同曝光策略的孔隙率⽐较 13 图6使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作 多激光器系统： ⽣产效率与⼀致性⼆选⼀？还是两者兼得？ 步⼊批量⽣产阶段后，所有增材制造技术都在⾯临全新挑战。为成功实现向批量⽣产的转变，提升系统的⽣产效率势在必⾏。为实现这⼀⽬标，我们的新⼀代机器配备了更⼤的成型空间和多个激光器。 EOS⾦属系统产品组合中的旗舰机型‒EOSM300-4（图1）‒专为批量⽣产 ⽽打造。中⼼成型基板采⽤耦合设计， 可以充分利⽤整个300x300mm²成型基板⾯积进⾏零部件定位，此外，统 ⼀的夹具系统也使后处理⼯作更加简便。与此同时，四激光器设计有助于最 ⼤限度地提⾼⽣产率。每个激光器均可覆盖整个成型区域。因此，不论负载系数或零部件定位如何，激光器都能发挥最⼤性能。 图1：EOS最新的⾦属系统，EOSM300-4。 追求更短的成型时间、实现激光器全⾯覆盖基板，以及平衡各激光器的曝光时间以充分发挥每台激光器的性能，这些需求为⼯艺开发带来了全新挑战。⽆论零部件在成型基板上的位置如何，或者使⽤哪⼀台激光器，确保零部件质量稳定可靠都是其中⼀个最重要的⽅⾯。 因此，我们开展了多项研究，以提⾼成型空间x-y平⾯上的零部件质量并确保质量⼀致性。我们开发了⼀种⽤于DMLS®技术的新曝光策略LCDS，下⽂将对其进⾏详细介绍。 基板:300mm 激光偏转：3D打印的挑战 图2展⽰了EOSM300-4的光学排列。它可以划分为四个象限，每个象限的中⼼均与四个扫描器正交投射到各⾃象限的激光束重合。为实现成型区域的全⾯覆盖，扫描仪的潜在扫描范围超出了成型基板的实际⼤⼩。 这种设置带来了⼯作区域更⼤的挑战，因此激光的偏转⻆度更⼤，也就是说， ⼊射⻆更为平缓。 L3 L2 L4 L1 扫描仪覆盖范围：450mm 图2：EOSM300-4的激光扫描仪排布。激光器L1的潜在范围以虚线表⽰。 EOSMaragingSteelMS1 50µmwithFlowOptimization Material Process EOSM300-4 System 图3：使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作业的实验环境。 为了检验偏转⻆对机械特性的影响，我们设计了⼀种作业布局，其中垂直拉伸试棒围绕激光中⼼以同⼼圆⽅式排列。随着每个圆的周⻓逐步增加，偏转⻆也随之增⼤。 为避免⻜溅物污染尚未曝光的区域，我们启动了“流动优化”功能。因此，曝光图案的条纹是沿着与流动⽅向相反的 ⽅向处理的，从⽽避免了污染。激光器1和3分别对这项作业（图4）进⾏了重复。 为确定偏转的影响⽽进⾏的测试作业表明，随着与激光中⼼距离的增加，激光器1样品的机械特性基本保持稳定。然 ⽽，激光器3的拉伸试棒显⽰其抗拉强度和屈服强度有轻微下降。 如图4所⽰，断裂伸⻓率受偏转程度的影响尤为明显。尽管样品数量随着与激光中⼼距离的增加⽽减少，从⽽降低了统计确定性，但我们仍能看出⼀个明显趋势。 断裂伸⻓率A25与距离因⼦ L3 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 激光器1激光器3 012345678910 DistanceFactor A25[%] FlowOptimization Flow L1 图4：作业布局描述和断裂伸⻓率结果（制造状态，未经热处理）。 在另⼀项检查中，测定了在激光中⼼附近以及激光束最⼤偏转处的零部件孔隙率。如图5所⽰，激光器3⽣成的零部件密度显著降低。⾮球形孔洞表明，由于存在未熔合孔隙⽽产⽣了缺陷。 L3 L1 激光器1 1mm 1mm 成型基板位置：激光中⼼(L)最⼤距离 激光中⼼最⼤距离 激光器3 1mm 1mm 图5：左侧是作业布局，右侧是样品显微照⽚的⼀部分。 需要探究的是，究竟哪种现象或影响因素导致了激光器1和3的性能差异。 我们将在下⼀节中对此进⾏更详细地讨论。 依赖位置的熔化⾏为 EOSMaragingSteelMS1 50µm Material Process EOSM300-4 System 图6：使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作业的实验环境。 为了分析激光器1和3之间的差异，我们对不同基板位置的熔化⾏为进⾏了深 ⼊检查。测试系列的部分结果将在下⼀节中进⾏展⽰。 我们预计在填充级别（即单个扫描⽮量）的研究中，会发现⼯艺中存在的偏差（⻅图6中的实验环境）。为获得具有空间分辨性的测试结果，EOSM300-4成型基板被划分为16个区域， 每个区域包含16个充当基底的试验块。在每个试验块的顶部，⼀组代表曝光图案的填充包将熔化在最后⼀层。将填充（扫描向量）旋转45度，以检查不同填充和条纹⽅向组合的效果。单向和交替填充都使⽤激光器1和激光器3进⾏测试。作业A（单向填充）和作业B（交替填充）的布局在图7中展⽰。 成型基板 作业A：单向填充作业B：交替填充 图7：展⽰作业A和作业B，橙⾊箭头标⽰条纹⽅向。 填充包的视觉评估 图8⽐较了激光器1和3等距场域中填充包的⾼度剖⾯，以及曝光后拍摄的相应图⽚。如图所⽰，表⾯图形会根据填充和条纹⽅向的不同组合呈现出截然不同的特征。⼀些表⾯看起来⾮常均匀并显⽰出连续的红⾊区域，这表明熔化区域⾼度⼀致且⼗分均匀。 其他样品的表⾯外观较为不规则，红⾊区域中穿插着蓝⾊部分。表⾯质量会根据成型基板上的位置以及所分配的激光器⽽有所差异。外观不均匀的区域也会导致⼯艺过程中出现“污染”。沉积在零部件表⾯附件的材料已⽆法再熔化。 ⾼度剖⾯ 激光器1激光器3 曝光后的照⽚ 图8：通过3D⾼度剖⾯以及曝光后的照⽚⽐较与激光中⼼距离相同的两个场区（作业A）。箭头指⽰单向填充⽮量的⽅向以及条纹的起始点。 确定最终材料的体积 在下⼀步中，我们将通过测量数据来进 ⼀步证实这些初步的视觉印象。为了测量每个填充-条纹组合的体积增加情况，我们将进⾏3D⾼度剖⾯扫描。我们可以通过填充包上的多条轮廓线来确定横截⾯积（⻅图9）。 y x Z X IntegralCrossCutarea[mm]2 x[mm] Base x z 填充包 z[mm] 图9：分析填充包的⽅法。利⽤多条轮廓线并进⾏积分计算，来测量横截⾯积。 如图10所⽰，我们分别针对作业A （单向剖⾯线）和B（交替剖⾯线），绘制了激光器1和3的横截⾯积随条纹和填充⽅向的变化。x轴按照填充和条纹是远离还是朝向激光中⼼进⾏了划分。在下图中，远离激光中⼼的条纹⽅向通常与较⼤的材料堆积量有关。 同时，调整填充⽅向，使其朝向激光中 ⼼也是⼗分有益的。在⽐较交替和单向填充⽅法的性能时，我们发现，如果所有填充都指向同⼀⽅向，并且配合理想的曝光⽅法，可以熔化更多的材料。总之，两种激光器表现出相似的⾏为。 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 填充⽅向 条纹⽅向 away away towardsawaytowards towards CrossCutAreaA[mm] 单向填充作业A 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 条纹⽅向 away towards CrossCutAreaA[mm] 交替填充作业B 激光器1 激光器3 ⾸选⽅向 不利⽅向 图10：不同填充和条纹⽅向的横截⾯图。 ⾸选⽅向 不利⽅向 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DistanceFactor CrossCutAreaA[mm] 图11：平均横截⾯积结果的⽐较，⾸选和不利填充-条纹组合随距离因⼦（激光偏转）变化。 在图11中，我们将所有⾸选⽅向（图 10中的绿⾊矩形）与不利⽅向（图10中的红⾊矩形）的平均横截⾯积进⾏了 ⽐较，并就其随距离因⼦（另请参⻅图4中的距离因⼦）⾄激光中⼼的变化进 ⾏了绘图。显然，当加⼯位置远离激光中⼼时，条纹和填充⽅向对加⼯结果的影响变得更为显著。 LCDS兼顾⽣产效率与⼀致性！ 第⼀视觉印象和材料堆积评估都暗⽰条纹供给⽅向和填充⽮量⽅向之间存在明显联系。在⽐较对⽴的激光器1和激光 器3时，流动⽅向在熔化材料体积⽅⾯起次要作⽤。关于以填充为重点的研究结果，我们可以得出如下总结（图12）： 1.通常，我们更倾向于选择朝向激光中⼼的填充向量，因为这样可以在加⼯区域添加相对较多的材料并减少材料喷射。 2.在条纹⽅向上，情况似乎恰恰相反：应该优先选择远离激光中⼼的条纹。使得曝光图案能够根据位置进⾏相应调整。 这两条规则构成了LCDS的核⼼。我们不再将层流惰性⽓体的流动⽅向作为唯 ⼀的参考点，⽽是提出以激光中⼼位置作为指导准则，这就是LCDS缩写所代表的含义： 激光中⼼依赖曝光策略 LCDES 填充向量 朝向激光中⼼ LaserCenter HatchDirection 条纹 远离激光中⼼ LaserCenter StripeDirection 图12：激光中⼼依赖曝光策略LCDS的理论，指出了⾸选（绿⾊）与应避免（红⾊）的填充 （细箭头）和条纹（粗箭头）⽅向。 初步测试已经成功验证了LCDS。图13展⽰了使⽤LCDS与标准曝光⽅法相⽐所能达到的孔隙率结果。 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Reference LCDS: onlyStripes LCDS: StripesandHatches Defect-%[%] 成型基板BoxplotofDefect-%[%] L 3 图13：激光器3：不同曝光策略的孔隙率⽐较，涵盖成型基板上的全部16个位置。 （蓝⾊：“流动优化”/灰⾊：LCDS条纹调整/橙⾊：LCDS填充和条纹调整） 在成型基板的16个位置上，我们采⽤了不同的曝光策略来布置和⽣成致密性试验块：参考基准（“流动优化”）、仅基于条纹的LCDS以及基于条纹和填充的LCDS。在此设置中，所有零部件均由激光器3处理。 孔隙率的降低可以这样解释：材料熔化较少或没有熔化的层已⼏乎消除，因未熔合⽽导致的孔隙显著减少。图13中的箱形图表明，使⽤LCDS可以降低孔数据差异性较低表明，⽆论成型基板位置如何，零部件特性均保持⼀致。 除了⼀致性之外，LCDS还有其他优势： 不受机器影响：使⽤LCDS的优势并不局限于特定的机器类型或制造商。如图所⽰，即使是短距离场景，也已经显⽰出对条纹和填充⽅ 向的依赖性。因此，每台机器都有可能从这种曝光图案中受益。但显然，具有⼤型平台尺⼨和激光扫描覆盖范围的系统获益