基于激光的金屬3D打印制造技術五大發展趨勢
Dhruv Bhate博士畢業于普渡大學機械工程系，目前負責增材制造技術分析與設計，研究領域包括熔融擠出3D打印技術（FDM）和金屬增材制造技術（基于粉末床激光技術）。通過4月3日到6日美國圣路易斯召開的AMUG增材制造用戶大會上的參觀，Bhate博士詳細了解到激光金屬增材制造技術從設計、仿真到制造工藝等方方面面的發展。金屬設備方面主要了解對象包括在AMUG期間展示的：Concept Laser，SLM Solutions，Renishaw，EOS和3D Systems.
Bhate博士的目的并非是研究這些金屬設備有什么不同，而是提取共同的趨勢，他發現金屬設備正在提升到下一個級別。本期，特將他的發現分享給谷友們。
趨勢一:質量監控
大多數增材制造設備希望增加制造過程中的控制，從而減少加工后殘次品發生概率以及減少后期加工處理的工作量。第三方質量控制公司包括Sigma Labs-西格瑪實驗室和Stratonics開發了獨立于平臺的解決方案，能與大多數金屬系統集成。金屬打印設備供應商也自己開發了一系列的過程監測手段，一般來說質量檢測分為以下幾類：
輸入端監視器：
激光：通過傳感器監測激光功率以及設備中不同的關鍵組成部分。
氧氣水平：在加工區域內的傳感器以及在篩站跟蹤氧氣水平，以確保惰性的氬氣或氮氣含量是有效的，在系統中沒有發生泄漏情況。
輸出端監視器：
視頻：簡單而有用，可清晰的現實最上面一層的激光熔化金屬粉末過程，并可以幫助交互檢測加工過程。
熔池：Concept laser顯示了其熔池監控系統如何通過2D和3D加工圖片來與電腦中的三維CAD文件對比，以及時發現加工中發生的問題。SLM Solutions和EOS也在提供類似的熔池監控解決方案。
鋪粉的一致性：Concept laser還介紹了以智能的方式調整鋪粉厚度以達到一致性。
在這里，中國3D打印網認為質量監測系統仍處于起步階段，不管是如何處理監控產生的各種信息，無還是如何使用數據來確認零件是否符合質量要求。這一切都存在很大的發展空間，還需要設備供應商、學術界和工業研發的結合，以提升到下一個水平。
趨勢二:粉體自動處理
考慮到火災和爆炸所造成的危險，金屬粉末處理需要格外引起注意。設備供應商不斷改進方法，使得設備的用戶可以最大限度地減少粉末處理的需要。不同的設備廠商采取了不同的金屬粉末輸送方式。SLM Solutions的SLM 500HL使用Screw System將粉末通過窄管送到物料篩分站后，經過處理又回到了上料區。而Renishaw的RenAM 500M則通過集成到設備中的氬氣氣動驅動循環系統來實現粉末的自動輸送。Concept Lase的XLine 2000R也提供了自動化的粉末處理工藝。
圖：兩種粉末處理裝置
自動化的確帶來了極大的方便，自動化粉處理的局限性之一是材料更換，當從一種材料切換到另外一種材料的時候將是非常困難的，所以自動化的粉末處理適合工廠級的生產需要，一臺機器可以專注于一種材料產品的生產。
趨勢三：多激光器加工
在追求生產率提高的過程中，最大的收益來自于提高激光器的數量和功率。通常，增加一個額外的激光器可以提高50-80%的加工效率。
SLM Solutions的500 HL設備可選配的激光器范圍最廣，包括2個或4個400W或1000W的功率選擇，也可以選擇不同功率的激光器的組合，例如兩個400W和兩個1000W激光器。Concept laser的XLine 2000R可以選配1個或2個1000W的激光器，其M2設備則可以選配200W或400W功率的激光器。
EOS，雷尼紹和3D Systems目前只提供單一的激光器解決方案：EOS M 400配備1000W的激光器，Renishaw的RenAM 500M配備500W的激光器，而3D Systems的PROX DMP 320 3D配備一個500W的激光器。
然而，并非越多就一定意味著越好，要因需而宜。在評估是否需要多個激光器時，有幾個注意事項：首先，每多一個激光器實際上增加了機器的投資成本；再次，需要注意的是，當使用多激光系統的時候，從不同的激光-激光的變化需要準確的控制能力，聯動工作的激光器需要更多的校準、保持和控制能力；此外，在不同的激光功率400W，1000W之間切換也非一日之功，所以是否需要多個激光器與最終要加工什么以及加工策略密切相關。
趨勢四：軟件集成
Renishaw花了大量時間談論他們易于使用的QuantAM software量子增材制造軟件，目的是整合Renishaw的過程參數和零件加工信息，實現無縫銜接的工藝參數，并且無需像Magics這樣的第三方軟件。
另外一家設備廠商 Additive Industries則宣布剛剛與3DSIM仿真軟件簽署了協議，將3DSIM整合到他們的MetalFab1設備的支持軟件方案中。
軟件集成有可能將呈現增長的趨勢，特別是在以下領域：
－改進的設計方法，減少對經驗的依賴，優化設計以減少材料、加工時間和降低加工成本，減少多次迭代的需要。
－增加用戶可用的處理選項（例如，外部皮膚vs內部核心，或厚壁vs薄壁）。
－簡化用戶對新材料工作過程參數的優化。
-集成設計與工藝優化以提高零件的有效性能。
趨勢五：模塊化的系統架構
Concept laser在模塊化的系統架構方面可以說走在了行業前面，生產準備和生產分離，靈活的機器裝載以及空間分離、安裝和拆卸模塊化組合將提高工廠的柔性，并且使自動化達到更高的水平。
并且，Concept laser還規劃實現全過程自動化生產，通過銜接軟件之間的交流來實現全流程自動化，包括辦公軟件實現加工參數管理，服務器軟件實現加工過程和數據管理，機器軟件實現設備和制造過程控制，監控軟件實現生產控制，Protocol軟件實現生產匯報。
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