縫合，是多激光加工3D打印大型零件時(shí)增材拼圖的關(guān)鍵部分。雖然從機(jī)械性能的角度來看，將材料的不同部分“縫合”在一起的概念似乎令人生畏，但只要LPBF多激光3D打印機(jī)器制造商可以提供正確的機(jī)械數(shù)據(jù)以顯示零件的性能，就無需擔(dān)心。本期，通過GE增材制造 工藝和材料工程師 Kevin Menger 和 GE增材制造高級(jí)工程師 Benedikt Roidl 博士來洞悉與理解如何通過正確的準(zhǔn)備和專業(yè)知識(shí)來預(yù)測(cè)，避免和減輕多激光縫合有關(guān)的任何問題。

© GE

 提高生產(chǎn)力，加工大尺寸零件

      縫合可以追溯到熔池的聯(lián)鎖，這現(xiàn)在是一種過時(shí)的策略。當(dāng)查看兩個(gè)熔池如何在兩個(gè)激光相遇的點(diǎn)相遇時(shí)，看起來這些部分就像縫合線一樣縫合在一起。縫合零件有兩個(gè)原因。第一個(gè)是為了提高生產(chǎn)力，第二個(gè)是為了實(shí)現(xiàn)大尺寸，在單個(gè)激光器的構(gòu)建區(qū)域之外構(gòu)建大型增材部件。

在生產(chǎn)力方面，如果想快速構(gòu)建零件，可以使用多個(gè)激光器來減少零件的構(gòu)建時(shí)間。當(dāng)使用多個(gè)激光器時(shí)，會(huì)在激光器相遇的區(qū)域進(jìn)行縫合，以提高零件的機(jī)械性能。還可以通過良好的氣流進(jìn)一步提高生產(chǎn)率——實(shí)現(xiàn)更有效的局部暴露區(qū)域——并了解煙灰在機(jī)器中的表現(xiàn)。

增材制造朝向更高的生產(chǎn)效率發(fā)展
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對(duì)于生產(chǎn)大型零件，如果構(gòu)建板大于光場(chǎng)尺寸，則需要縫合。例如，GE增材制造的M系列的構(gòu)建面積為 500 x 500 mm，但光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)大小為 400 x 400 mm。因此，在構(gòu)建大型部件時(shí)，需要不止一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。因此，這會(huì)自動(dòng)要求縫合零件。

 影響縫合的因素

縫合并不難，只需讓兩臺(tái)或多臺(tái)激光器在同一個(gè)地方工作，但要做好縫合卻很困難。這是因?yàn)�，從參�?shù)開發(fā)的角度來看，需要同時(shí)處理多個(gè)曝光元素。

一方面，基于大塊的加工區(qū)域，有一個(gè)重疊區(qū)域，所以縫合起來很簡單。同樣，激光器也不需要完美對(duì)齊。另一方面，當(dāng)開始縫合輪廓（零件的外表面）時(shí)會(huì)變得很困難，因?yàn)樾枰�在獲得高水平的表面光潔度與很少（或沒有亞表面孔隙率）之間取得平衡，以避免昂貴的后處理步驟。

輪廓區(qū)域中的縫合需要達(dá)到可接受的表面光潔度和亞表面性能水平。如果熔池未對(duì)準(zhǔn)超過 50 微米，那么將遇到表面下孔隙率和局部表面光潔度不佳的問題。

如果沒有任何額外的控制機(jī)制，很難在構(gòu)建過程中將光學(xué)系統(tǒng)保持在 50 微米以內(nèi)。如果系統(tǒng)漂移超過此閾值，就會(huì)開始出現(xiàn)可能導(dǎo)致問題的表面不連續(xù)性，尤其是在零件的疲勞性能方面。

間接影響縫合質(zhì)量的因素之一是氣流。如果過多的煙灰沉積在激光窗口上，并且沒有有效地將其輸送出處理室，則會(huì)導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致激光窗口升溫，從而導(dǎo)致焦平面偏移、激光失真和光學(xué)系統(tǒng)未對(duì)準(zhǔn)。

另一個(gè)因素可能是刀片調(diào)平。因此，構(gòu)建的設(shè)置方式會(huì)影響光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。需要設(shè)置刀片，使其與光學(xué)平面對(duì)齊。此外，機(jī)器的溫度和熱行為也會(huì)對(duì)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生很大影響。

 解決挑戰(zhàn)

在GE的案例中，使用冷卻系統(tǒng)來控制對(duì)錯(cuò)位的低熱影響�？刂七@一點(diǎn)很重要；否則，會(huì)有熱漂移例如，在重涂機(jī)、重涂機(jī)導(dǎo)軌、光學(xué)、工藝室中。

最后一個(gè)主要因素是初始光學(xué)系統(tǒng)校準(zhǔn)。如果在使用前投入大量精力正確校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，那么在打印之前，機(jī)器中的校準(zhǔn)基線將會(huì)穩(wěn)定，即低于 50 微米的閾值。

重涂機(jī)與光學(xué)校準(zhǔn)平面的對(duì)準(zhǔn)很重要，因?yàn)楣鈱W(xué)器件被設(shè)置到一定高度，在該高度上對(duì)準(zhǔn)是完美的。重新涂覆的刀片需要平行設(shè)置并與光學(xué)平面高度相同，以免出現(xiàn)錯(cuò)位。例如，如果重涂機(jī)設(shè)置在高于光學(xué)平面的位置，則會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)之間的對(duì)齊間隙。此外，如果重涂機(jī)刀片相對(duì)于光學(xué)平面存在傾斜，則可能導(dǎo)致零件的一側(cè)具有完美的縫合，而另一側(cè)則充滿缺陷。

如果用戶能夠在機(jī)器初始設(shè)置期間正確設(shè)置重涂機(jī)刀片，并遵循提供的開發(fā)流程，則可以對(duì)縫合質(zhì)量產(chǎn)生積極影響，并確保高構(gòu)建之間的拼接一致性級(jí)別。

 校準(zhǔn)

良好縫合的最重要因素之一是初始校準(zhǔn)。首先，需要校準(zhǔn)各個(gè)光學(xué)元件及其光場(chǎng)，以便它們從單個(gè)激光角度指向正確的方向。

第二個(gè)校準(zhǔn)步驟著眼于相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)組合的校準(zhǔn)，并確保每個(gè)系統(tǒng)與所有其他系統(tǒng)完美對(duì)齊。必須將這些相互作用置于一定的對(duì)齊閾值內(nèi)，即前面提到的 50 微米閾值，這是獲得良好拼接結(jié)果的堅(jiān)實(shí)基線。

隨著光學(xué)器件隨著時(shí)間的推移而漂移，需要每六個(gè)月重新校準(zhǔn)一次。這是當(dāng)前的指導(dǎo)方針，但由于目前正在調(diào)查中，因此可能會(huì)發(fā)生變化。在GE的案例中，還就可用的軟件對(duì)策以及軟件如何成為獲得良好拼接的關(guān)鍵向客戶提供建議。通過這些對(duì)策，可以達(dá)到 100 微米的閾值，并且仍然可以實(shí)現(xiàn)良好的拼接效果。

l 好的縫合

如果縫合良好，則幾乎看不到表面上的任何東西，包括任何表面不連續(xù)性或與熔化過程中材料的熱行為不同的顏色。

總的來說，如果零件的微觀結(jié)構(gòu)是一致的，無論使用單個(gè)還是多個(gè)激光器，最終都會(huì)展示出一個(gè)好的針跡。從數(shù)據(jù)表的角度來看，如果零件的行為方式與單激光零件相同（在拉伸和疲勞特性方面），那么就有了一個(gè)縫合良好的零件。

l 縫合不好

任何與單激光曝光不同的地方都可以解釋為拼接不良。例如，如果有可見的輪廓末端從表面伸出，任何表面不連續(xù)性、次表面孔隙率，甚至是整體孔隙率——在極端情況下，不能歸因于單激光參數(shù)——那么縫合就很糟糕。在與光滑表面存在偏差的區(qū)域中，表面不連續(xù)性也會(huì)導(dǎo)致形成裂紋，具體取決于施加在其上的載荷，這對(duì)疲勞相關(guān)部件至關(guān)重要。

圖片：拼接不良（中心左側(cè)兩列）
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 縫合方面的驗(yàn)證

在 GE Additive 增材制造進(jìn)行兩種類型的驗(yàn)證：機(jī)器驗(yàn)證和工藝驗(yàn)證。

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為許多可能的場(chǎng)景設(shè)置了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE)，這些場(chǎng)景涉及不同構(gòu)建板位置的縫合和非縫合零件。這樣，就有了所有可能影響 DOE 中縫合部分的可能輸入。這是在幾個(gè)構(gòu)建和幾種材料上完成的，并使用試樣、棒和實(shí)際零件的子部分來測(cè)試材料特性。

GE還使用某些未對(duì)準(zhǔn)來創(chuàng)建零件，以查看不同的未對(duì)準(zhǔn)如何影響ct 零件質(zhì)量。DOE 設(shè)置還允許在不使用對(duì)策的情況下查看每個(gè)零件的閾值，以便獲得與單個(gè)激光器在統(tǒng)計(jì)上相同的機(jī)械性能。然后，這使能夠了解機(jī)器錯(cuò)位能力是什么，以便可以確�？蛻臬@得安全縫合的零件。

第二種類型的驗(yàn)證是針對(duì)大型零件，在這些情況下，大型零件在 M Line 上以不同的配置和設(shè)置打印多次，然后進(jìn)行熱處理和非熱處理分析。這使驗(yàn)證人員能夠看到縫合區(qū)域在孔隙率和表面光潔度方面是否以令人滿意的方式在大部分水平上出現(xiàn)。

總體來說，雖然縫合可能是一個(gè)很難做好的過程，但通過正確的護(hù)理、協(xié)議和校準(zhǔn)工作，并不像許多人想象的那么可怕。增材制造用戶確實(shí)需要確保LPBF基于粉末床的選區(qū)金屬熔融3D打印機(jī)器以最佳狀態(tài)運(yùn)行，并每 3-6 個(gè)月進(jìn)行一次校準(zhǔn)，并且通過采用軟件對(duì)策，在光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)時(shí)可以有更大的誤差范圍。

(責(zé)任編輯：admin)

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