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激光选区熔化设备成型能力保证

日期: 2020-05-29
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一、激光选区熔化成型设备简介

激光选区熔化技术(Selective laser meltingSLM)是现代金属增材制造技术的典型代表,也是未来增材加工制造发展的主要方向之一。激光选区熔化技术由于其成型精度优良、成型零件致密度高、可直接成型复杂形状、可成型材料广泛等已被广泛应用于航空航天、科研教育、医疗、工业模具、汽车等领域。该技术主要通过激光束被聚焦到成型平面上并由扫描振镜控制以一定速率和路径进行运动,将扫描区域的金属粉末快速熔化并凝固而形成实体,通过逐层累积的方式最终实现复杂三维结构的加工。

广州雷佳增材科技有限公司是一家专业从事金属3D打印设备研发、制造、销售以及提供3D打印服务的高新技术企业,公司团队传承华南理工大学十余年金属3D打印设备、材料工艺研发经验,目前已经推出“高精度、多材料、大尺寸、高效率”系列化的激光选区熔化成型设备,在设备稳定性、设备成型能力保证方面具有多年累积的经验。

激光选区熔化设备成型能力保证


通常,激光选区熔化成型设备主要由几大核心部分组成:光学系统、铺粉成型系统、气体循环净化系统、计算机控制系统以及其他辅助器件等组成。成型设备各部分的可靠性及其性能、各部分之间相互协调工作等直接影响成型零件的成型质量(包括几何精度、表面精度、内部缺陷等)与成型性能(包括机械性能、耐腐蚀性能等),从而影响产品的应用。同时,成型设备的稳定性及其工作持续性是企业大规模生产的重要保障。在企业应用过程中,设备问题而导致成型零件的失败往往是难以弥补的,这不仅造成了材料、人工等资源的直接浪费,还可能导致加工效率的降低、客户的流失等,严重阻碍技术推广应用及产业化。因此,对于推广技术、产品应用,激光选区熔化成型设备的成型能力保证显得尤为关键。

激光选区熔化设备成型能力保证


广州雷佳增材Dimetal-100激光选区熔化成型设备组成

二、设备关键组成部分的作用及其要求

1、光学系统

作为激光选区熔化设备最核心的组成部分,光学系统主要由激光器、扩束镜、扫描振镜、f-θ镜等组成。在激光选区熔化成型过程中,光学系统通过激光器发出激光束并经过柔性光纤传输后,通过扩束镜以扩展激光束直径,以减少作用于扫描振镜的激光能量密度,最后通过f-θ透镜消除枕形畸变以得到光束质量高、聚焦光斑精确的激光束。该激光束被聚焦于成型表面,并在振镜运动控制卡与计算机控制系统的协同控制下,以设定速度与预定路径进行加热熔化金属粉末并快速凝固形成实体。

在激光选区熔化成型设备中,对光学系统主要有以下几方面要求:

1)激光焦点:激光束通过聚焦于成型表面而具有高能量密度使金属粉末熔化,当成型设备的焦点偏离成型表面太多,不仅会导致激光束由于缺乏足够高的能量密度使金属粉末熔化,同时离焦的大光斑容易使成型零件表面精细度降低,极限成型尺寸增大。因此,成型设备的焦点准确聚焦于成型表面是设备成型性能保证的条件之一。

激光选区熔化设备成型能力保证


2)振镜校准:扫描振镜作为激光选区熔化成型高精度保证的核心部件。通过振镜运动控制卡与计算机系统控制振镜进行指令角度的偏转,实现激光束在成型表面指定位置进行精确扫描。在振镜系统中,其偏转角与平面坐标之间存在着固有的非线性映射关系,加之光学组件的制造误差、光路系统的装调误差,会给系统带来“枕形畸变”、“桶形畸变”和“枕桶形复合畸变”等静态误差;电子传输线路中的残留噪声、模拟电压漂移也会带来系统和随机的动态误差;长时间连续工作条件下,因温度漂移常常会对系统造成累积的蠕变误差。因此,通过振镜校准保证成型精度变得复杂且尤为关键。

振镜系统是基于实际平面坐标数据计算确定目标位置与振镜偏转指令角度之间的映射关系,因此振镜校准需对实际加工的平面坐标数据进行采集,采集的数据用于振镜控制单元的进一步校准计算,如此反复可使振镜扫描精度满足要求。传统的数据采集方式是手工对位测量,或利用3D图像测量仪离线自动测量。这种人工或离线测量方式,一方面会带来更多的主观性测量误差,另一方面是效率较低。因此有望通过提升振镜校准技术来提高激光选区熔化设备的成型精度。

激光选区熔化设备成型能力保证


振镜校准过程


3)激光延时参数:在实际SLM加工过程中,振镜电机的转动以及激光器的出光闭光需要一定的响应时间,会比系统控制信号滞后,因此存在一定的延时误差,对于 SLM 零件的成型质量造成一定的影响。成型设备可通过在控制系统中设置激光延时参数有效补偿通信延迟所带来的不良影响。激光延时参数主要有开光延时(Laser On Delay)、闭光延时(Laser Off Delay)。

对于精细结构而言,激光延时的影响是不可忽视的。激光延时参数对精细结构的致密度、硬度、力学性能都有明显的作用,且对于小尺寸零件的影响更加明显。

激光选区熔化设备成型能力保证


激光延时参数的作用


4)实际激光功率保证:激光选区熔化成型设备的最大工作功率将直接影响设备的成型能力,当加工熔点较高的金属粉末时,往往需要提高功率以保证金属粉末的完全熔化,从而保证成形实体的致密性及其力学性能。一定功率的激光束从激光器发射,经过多重光学元器件的吸收或削弱,最终到达成形表面的实际激光功率会存在一定程度的衰减。常见激光功率损耗的原因是由于元器件相对位置不正确或密封性问题导致灰尘等进入光路。当功率损耗超过一定值后,必须对光路单元的密封性进行检查,对光路单元上各元器件的位置进行校正,直到校正后激光功率实际测量值达到理论值的90%附近。

2.铺粉成型系统

激光选区熔化成型设备的铺粉成型系统主要包括铺粉车运动机构、粉料缸、成型缸和伺服螺杆驱动机构等功能单元。在加工过程中,成型缸通过下降指定层厚高度,粉料缸上升一定高度(粉料缸供料方式)或落粉电机转动一定角度使粉末落在铺粉车前(落粉供料方式),铺粉车运动,铺粉车上的柔性铺粉刷将一个层厚的粉末铺在成型缸表面,等待光学系统进行加工。

在激光选区熔化成型设备中,对铺粉成型系统有以下几方面要求:

1)铺粉车运动机构:SLM 成型过程中粉末铺展的效果要求平整、均匀、紧实,这有利于成型致密、高表面精度的零件。若SLM 成型过程粉平面凹凸不平,会导致粉末对激光的吸收不稳定,激光照射在粉床表面不同位置的功率密度不等,导致成型面也凹凸不平,最终使得成型件的致密度、表面精度等下降严重。铺粉运动机构常见问题有:运行不稳定,铺粉车运动过程抖动而在铺粉平面形成条纹;单向驱动的铺粉车在长时间运行工况下容易出现故障等。因此,成型设备的铺粉车运动机构要求便于调节,并在SLM成型过程中运动保证稳定,且能保证长时间运行的可靠性。

2)铺粉车运动速度:SLM成型过程中,适当提高铺粉车运行速度可减少零件成型时间,提高加工效率。但由于铺粉结构主要采用物理限位的形式控制其运动范围,当铺粉车运动速度不当时,其加速度或减速度导致的位置误差可累积而导致停机,甚至使零件加工失败。因此,激光选区熔化成型设备的铺粉车运动速度需经过校正与调节,以保证长时间的正常运行。

3)成型缸与粉料缸的运动精度:作为一种基于层层堆积成形的技术,激光选区熔化成型技术对于成型缸与粉料缸的运动精度具有较高要求,最小层厚甚至达到20μm。因此必须通过系统校正满足成型缸与粉料缸的运动精度要求,以保证激光选区熔化成型设备的成型能力。

4)落粉供料准确:对于落粉供料方式的成型设备,粉末从落粉电机到铺粉车上的粉料槽需要一定的时间,因此需控制落粉电机与铺粉车的动作时间,以保证从落粉电机落下的粉末完全被粉料槽接收。另外,需通过测试与校正控制落粉电机的转动量以使落下的粉末能够刚好完全铺满整个成型表面,粉料过少则容易使成型表面部分区域无法铺上粉末,粉料过多则使粉料消耗过快。

激光选区熔化设备成型能力保证


广州雷佳增材Dimetal-300多材料激光选区熔化设备(落粉供料方式)


3.气体循环净化系统

在激光选区熔化成型过程中,金属粉末在激光作用受热熔化过程中易与空气中的氧或其他元素发生反应,形成黑烟或高熔点飞溅物等。一方面,黑烟容易使透光镜片粘上一层黑烟粉末,导致激光透过镜片时功率衰减严重,成型表面的粉末无法充分熔化而影响成型质量,同时粘上黑烟粉末的镜片由于吸收激光能量而发热,甚至高温爆裂;另一方面,形成的高熔点飞溅物容易飞落在附近成型区域上,后续激光熔化该区域导致夹杂等缺陷,落在非成型区域时同样会加剧粉末受污染程度。同时,由于气流、激光冲击以及铺粉装置的扰动,密封成型室内会产生大量烟尘。

因此,气体循环净化系统的性能对于实际加工过程的成型质量控制尤为重要。气体循环净化系统主要包括以下几方面要求:

1)成型室气体环境的循环过滤净化:从成型表面吸入的夹带黑烟与飞溅物等的保护气体,通过气体循环净化系统内部的滤芯进行过滤后,重新作为干净保护气体在成型室内参与气体循环。广州雷佳增材科技有限公司采用的双级高精密过滤系统,可实现保护气体的有效过滤净化。

2)风口设计:在成型室内,循环保护气体主要通过吹风口与吸风口使黑烟、飞溅物等进入循环净化系统进行过滤。在实际加工过程中,吹风口与吸风口之间的成型表面上方形成的循环风场对零件成型质量产生较大影响。风口设计不合理容易导致成型室内黑烟、飞溅物等难以进入循环净化系统过滤,从而导致成型质量降低、粉末受污染加剧。因此需根据实际成型环境,优化设计吹风口与吸风口的结构,以改善成型表面的循环风场作用,提高成型质量。

3)光学镜片保护装置:广州雷佳增材科技有限公司研发的激光选区熔化设备中,在传统的一路气体循环的基础上新增加第二路气体导入,在光学镜片下导入环形分布的新鲜氩气形成保护气体层。完全隔绝一切粉末熔融过程中的燃烧物粘附在镜片上,保证绝对激光输出精准度和大幅延长光学元件寿命。

激光选区熔化设备成型能力保证

光学镜片保护装置

4.密封成型室

SLM成型加工前,通常需要向成型室内通入惰性保护气体以排除空气,使成型室内形成适合激光选区熔化粉末的无氧环境。若成型室的密封性能不足,不仅延长了排除成型室内空气的时间,还会消耗更多的保护气体,同时在成型过程中,氧气可能会进入成型室并与金属粉末反应生成氧化物等杂质,降低零件成型质量。

因此,成型室的密封性是提高生产效率、降低生产成本、保证零件成型质量的重要条件。另外,需定期检查设备的密封性以及更换密封元件,以保证成型室的密封性能。

5.其他

由于激光选区熔化技术是一种基于成型平面而进行层层熔化堆积的增材制造技术,因此在机械安装过程中,成型平面的水平度与振镜头的水平度应得到保证,否则成型平面与振镜头平面之间的平行度相差太大容易导致振镜的校准变得十分困难,降低设备X/Y方向的成型精度。

另外,由于涉及金属粉末加工,因此激光选区熔化成型设备需定期维护与清理,以保证设备各部分系统的正常工作、保证设备的稳定性与成型能力。

 

 

 

 




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