基于激光的金属3D打印制造技术五大发展趋势

Dhruv Bhate博士毕业于普渡大学机械工程系，目前负责增材制造技术分析与设计，研究领域包括熔融挤出3D打印技术（FDM）和金属增材制造技术（基于粉末床激光技术）。

通过4月3日到6日美国圣路易斯召开的AMUG增材制造用户大会上的参观，Bhate博士详细了解到激光金属增材制造技术从设计、仿真到制造工艺等方方面面的发展。金属设备方面主要了解对象包括在AMUG期间展示的：Concept Laser，SLM Solutions，Renishaw，EOS和3D Systems.

Bhate博士的目的并非是研究这些金属设备有什么不同，而是提取共同的趋势，他发现金属设备正在提升到下一个级别。本期特将他的发现分享给友们。

趋势一:质量监控

大多数增材制造设备希望增加制造过程中的控制，从而减少加工后残次品发生概率以及减少后期加工处理的工作量。第三方质量控制公司包括Sigma Labs-西格玛实验室和Stratonics开发了独立于平台的解决方案，能与大多数金属系统集成。金属打印设备供应商也自己开发了一系列的过程监测手段，一般来说质量检测分为以下几类：

输入端监视器：

激光：通过传感器监测激光功率以及设备中不同的关键组成部分。

氧气水平：在加工区域内的传感器以及在筛站跟踪氧气水平，以确保惰性的氩气或氮气含量是有效的，在系统中没有发生泄漏情况。

输出端监视器：

视频：简单而有用，可清晰的现实最上面一层的激光熔化金属粉末过程，并可以帮助交互检测加工过程。

熔池：Concept laser显示了其熔池监控系统如何通过2D和3D加工图片来与电脑中的三维CAD文件对比，以及时发现加工中发生的问题。SLM Solutions和EOS也在提供类似的熔池监控解决方案。

铺粉的一致性：Concept laser还介绍了以智能的方式调整铺粉厚度以达到一致性。

在这里，3D科学谷认为质量监测系统仍处于起步阶段，不管是如何处理监控产生的各种信息，无还是如何使用数据来确认零件是否符合质量要求。这一切都存在很大的发展空间，还需要设备供应商、学术界和工业研发的结合，以提升到下一个水平。

趋势二:粉体自动处理

考虑到火灾和爆炸所造成的危险，金属粉末处理需要格外引起注意。设备供应商不断改进方法，使得设备的用户可以最大限度地减少粉末处理的需要。不同的设备厂商采取了不同的金属粉末输送方式。SLM Solutions的SLM 500HL使用Screw System将粉末通过窄管送到物料筛分站后，经过处理又回到了上料区。而Renishaw的RenAM 500M则通过集成到设备中的氩气气动驱动循环系统来实现粉末的自动输送。Concept Lase的XLine 2000R也提供了自动化的粉末处理工艺。

图：两种粉末处理装置

自动化的确带来了极大的方便，在这里，3D科学谷认为自动化粉处理的局限性之一是材料更换，当从一种材料切换到另外一种材料的时候将是非常困难的，所以自动化的粉末处理适合工厂级的生产需要，一台机器可以专注于一种材料产品的生产。

趋势三：多激光器加工

在追求生产率提高的过程中，最大的收益来自于提高激光器的数量和功率。通常，增加一个额外的激光器可以提高50-80%的加工效率。

SLM Solutions的500 HL设备可选配的激光器范围最广，包括2个或4个400W或1000W的功率选择，也可以选择不同功率的激光器的组合，例如两个400W和两个1000W激光器。Concept laser的XLine 2000R可以选配1个或2个1000W的激光器，其M2设备则可以选配200W或400W功率的激光器。

EOS，雷尼绍和3D Systems目前只提供单一的激光器解决方案：EOS M 400配备1000W的激光器，Renishaw的RenAM 500M配备500W的激光器，而3D Systems的PROX DMP 320 3D配备一个500W的激光器。

然而，并非越多就一定意味着越好，要因需而宜。3D科学谷认为在评估是否需要多个激光器时，有几个注意事项：首先，每多一个激光器实际上增加了机器的投资成本；再次，需要注意的是，当使用多激光系统的时候，从不同的激光-激光的变化需要准确的控制能力，联动工作的激光器需要更多的校准、保持和控制能力；此外，在不同的激光功率400W，1000W之间切换也非一日之功，所以是否需要多个激光器与最终要加工什么以及加工策略密切相关。

趋势四：软件集成

Renishaw花了大量时间谈论他们易于使用的QuantAM software量子增材制造软件，目的是整合Renishaw的过程参数和零件加工信息，实现无缝衔接的工艺参数，并且无需像Magics这样的第三方软件。

另外一家设备厂商 Additive Industries则宣布刚刚与3DSIM仿真软件签署了协议，将3DSIM整合到他们的MetalFab1设备的支持软件方案中。


软件集成有可能将呈现增长的趋势，特别是在以下领域：

－改进的设计方法，减少对经验的依赖，优化设计以减少材料、加工时间和降低加工成本，减少多次迭代的需要。

－增加用户可用的处理选项（例如，外部皮肤vs内部核心，或厚壁vs薄壁）。

－简化用户对新材料工作过程参数的优化。

-集成设计与工艺优化以提高零件的有效性能。

趋势五：模块化的系统架构

Concept laser在模块化的系统架构方面可以说走在了行业前面，生产准备和生产分离，灵活的机器装载以及空间分离、安装和拆卸模块化组合将提高工厂的柔性，并且使自动化达到更高的水平。

并且，Concept laser还规划实现全过程自动化生产，通过衔接软件之间的交流来实现全流程自动化，包括办公软件实现加工参数管理，服务器软件实现加工过程和数据管理，机器软件实现设备和制造过程控制，监控软件实现生产控制，Protocol软件实现生产汇报。


来源3D科学谷