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镭明激光:大型SLM金属3D打印机装备的研制难题

2020年2月,南极熊获悉,天津镭明激光作为一家专业的金属增材装备研发与制造企业,通过多年3D打印服务经验的积累,研制了多款中大型激光选区熔化成形装备(也就是SLM金属3D打印机);近期,将正式发布其中一款型号为LiM-X400A的装备型号。本文将介绍这类大型SLM金属3D打印机装备研发中需要突破的技术难点。

镭明激光:大型SLM金属3D打印机装备的研制难题

激光选区LiM-X400A装备

(1)设备安全问题
基于粉床的大型激光选区熔化成形装备,每一次3D打印成形过程都需要大量的粉末作为载体,粉末用量经常以“吨”为单位。对如此大量的粉末进行操作所带来的安全风险是很高的,例如粉末的装填与清理,粉末的传输与处理等,传统的人工处理粉末方式不再适用于此类装备,必须研制与装备相匹配的自动粉末处理装置。同时,较长的打印周期所带来的数量可观的纳米烟尘也是潜在的主要风险,处理这些烟尘所使用的装置必须是可靠与高效的,其效能必须远远超过普通类型选区设备,并具有一些特殊功能。

(2)3D打印的质量问题
这类设备一旦出现打印质量问题,带来的成本浪费与小型设备完全不在一个量级上。因此保证打印质量也是这类设备研发中的高优先级目标。而打印质量来源于四个方面的保证:

①装备的质量。

②材料的质量一致性。

③工艺设计水平。

④操作人员的质量控制能力。

上面的四个要素缺一不可,但由于篇幅所限,后面三个要素我们将在今后的文章中逐个讨论,这次的重点放在设备的质量上。

大型SLM金属3D打印机装备的质量主要体现在两方面,其一是能力,其二是稳定性。
装备的能力就是使用这套装备能够产出的产品性能。一般情况下,当我们把所有最好的部件都堆砌在一起并不犯低级错误的时候,是可以产出具有一定性能的产品的。但是,困难的是稳定性。中大型激光选区熔化设备的稳定性涉及多个方面:

①激光源与光学系统的稳定性,以及使用多个光学系统时,多个光学系统的一致性;

②腔室内风场的均匀性,以及超长生产周期下的一致性;

③ 烟尘的处理效率,及超长生产周期下的一致性;

④单一粉层的均匀性,以及动辄数千乃至上万粉层的一致性。

完善软硬件的基础配置可以应对大部分的打印加工过程,但是在一些特殊情况下,必须通过有效的监控手段对成形过程进行监测和识别,从宏观和微观两个角度实现成形过程缺陷的判定甚至修正。

(3)生产效率问题

大尺寸的零件成形如果依然采用传统的低功率单激光光学系统,则生产效率必然低下,同时,超长的打印周期也会为装备增加更多的不稳定因素。目前的解决方案都是以增加激光功率和激光器及光学系统数量来实现效率的提升,这就要求装备在多光束拼接、多光束一致性保持、风场控制等多个重要环节有成熟的解决方案;同时,生产效率还体现在加工生产前后的装备准备和装备清理上,也需要有高效的控制逻辑和辅助机构配合完成。

(4)工艺设计

激光成形本身属于极端条件下的热成形,大尺寸零件的成形需要激光作用的次数以百万计,较大的内应力及可能产生的微观缺陷都会导致零件成形中的失败或成形后的宏观缺陷。在装备可靠性达标的情况下,工艺设计(包含参数设计和结构设计)的作用凸显,如何在保证零件可以良好成形的基础上实现各项性能的提升,考验着工艺设计人员对于原理、装备、材料、工艺的综合理解和经验总结,是中大尺寸金属零件激光选区熔化成形解决方案的重要组成部分。

为了攻克这些难题,镭明激光精心吸取了母公司精合集团多年来从事金属3D打印服务的经验,在研发LiM-X400A设备的过程中采用了大量创新而可靠的设计。镭明激光承诺与用户、材料合作伙伴、关键零部件合作伙伴和其它机构一起,不断完善装备、工艺和质量,真正帮助中国3D打印装备质的提升。

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