王冠博，李建杰，何刚文，马治博，罗倩菲，邵乙迪，张士亨

（季华实验室新型增材制造研究院，广东 佛山 528000）

增材制造（3D 打印）技术被誉为将引领“第三次工业革命”的关键技术之一，近年来在各个领域不断取得重大突破，在推动传统工业体系分化变革的同时，也在重塑制造业国际分工格局。

1 研究背景

近年来，金属3D 打印的技术及市场应用得到突飞猛进的发展[1]，而整个金属3D 打印领域，也有一个明显的趋势：在航空航天和军工的市场需求下，打印体积越来越大[2]。全球范围内金属3D 打印机制造商，包括铂力特、EOS、SLM Solutions、Concept Laser 等世界著名企业推出的重量级设备均越来越大，逐步解决大型复杂金属结构件难以生产的问题，和中小型工业级SLM（Selective Laser Melting）金属3D 打印比，大型金属3D 打印机不仅成形尺寸大幅增大，成形效率大幅提高，且生产成本成倍数下降，因此能更广泛地应用在航空航天、军工、模具、医疗和汽车行业等领域。然而，在大尺寸SLM 装备开发过程中也存在着诸多挑战[3-4]，具体如下。

随着成形体积的大幅度提高，打印幅面大幅度变大，其仓内风场结构设计将面临复杂的技术挑战，同时在通过增加光学系统数量换取提高设备打印效率的前提下，在多激光同时工作的打印情况下，激光烧结所产生的大量烟尘颗粒同样给设备风场带来更大的负担；在多激光协同工作的前提下，保证多激光光源的光斑一致性及精准搭接，在设备开发过程中同样存在诸多需要解决的技术难题；从控制角度出发，往往大尺寸设备为完成一个大尺寸零件的打印任务需要花费数日甚至数月的时间，通过一层层切片堆叠起来的数万层切片数据，需要通过设备长时间稳定扫描完成，每层厚30～100 μm，不得有半点误差，因此在整机的逻辑控制层面及对设备的稳定性都有着极高的要求。

2 研发实施重点及方法

2.1 大尺寸金属3D 打印设备风场结构设计

设备风场的作用在于有效清除打印过程中打印仓体内激光烧结所产生飞溅、烟尘及金属蒸汽等不利于金属成形的污染物，并形成用于保护振镜区域和元器件的保护层，从而有效确保3D 打印加工质量[5]，因此设备风场的表现对成形质量起到至关重要的作用[6]。通过实际应用分析及具体仿真设计，采用多流道分流风路结构方案，如图1 所示。

图1 多流道分流风路结构

将进风口布局在打印仓室右侧的上下位置，分别为水平气体入口及斜向气体入口，分别对应打印平面及振镜位置，利用过滤器端风机所产生的新风将各自区域所产生或存在的烟尘吹走。同时在水平气体入口后端设计安置均布圆孔挡板，主要作用在于配合风口中的翅片式流道设计，将点气源尽可能地转换成线气源，并使之均匀化，并且在斜向气体入口后端设计安置3 向分流装置，主要作用在于将上端的风道一分为三，具体如下：①吹向振镜保护镜片位置，防止烟尘污染到振镜保护玻璃；②以45°斜向水平气体出口位置，辅助将烧结过程中所产生的烟尘吹向出风口位置；③以垂直水平气体入口位置向下吹入气体，避免打印过程中烟尘在打印仓侧壁驻留并粘贴在表面。

通过仿真模拟计算，其结果呈现出较为理想状态，如图2 所示。水平方向的风速显示较为均匀，在横向的各位置并没有过多的风速差异，同时在斜向送风口位置，其主要风量出现在斜45°向排风口位置，次要风量呈现在保护振镜保护镜片位置，并且在打印仓侧壁位置，同样会产生一小部分风量来确保侧壁清洁。最终通过实际测试，实测在基板不同位置25 个点的风速值及实际打印过程所呈现的情况，基本符合设计要求，可以将打印过程中所产生的绝大部分烟尘带走。风速测试及实际打印情况如图3 所示。

图2 多流道分流风路流场仿真

图3 风速测试及实际打印情况

2.2 大尺寸金属3D 打印设备多激光扫描搭接

在提升设备打印效率的前提下，增加激光光源数量对提高设备打印效率能起到最为直接的作用[7]，但是将多激光精准搭接同样面临较为复杂的难题[8]。在设备开发调试阶段，首先通过将各自光路的焦点位置调节到所设计高度，然后利用二次元光学影像系统将各自光路以网格化方式进行打印区域范围内的自校准，再通过拟不同光路打印不同形状的图案并进行类似“靠拢”的方式进行测试及补偿，其核心思路在于将其中一个光路作为基准，将补偿其他光路与基准光路所产生的位置误差，通过多次校准迭代完成最终多激光精准搭接的目的，如图4 所示。

图4 单光路及多激光搭接校准

通常情况，在机械层面安装过程中并无过大误差条件下，往往通过1～2 次搭接校准即可将搭接精度大幅度提高。搭接精度的提高意味着满幅面打印过程中，因光学扫描位置差异所导致的精度及成形误差减少。在搭接精度控制在成形要求条件下，光斑一致性及激光一致性同样非常重要，光斑一致性主要表现在光斑的圆度、尺寸及光束质量方面，对于扫描线长及扫描间距等参数起到至关重要的影响作用。图5 为双激光器功率校准前后的情况，在激光器出厂时或长时间使用后，激光器的功率往往会出现不同程度的波动和不一致，因此校准激光器的功率，确保多激光在烧结过程中各自光路激光功率的一致性同样重要。

图5 多激光功率校准结果

光斑尺寸往往关系着设备可成形最小尺寸精度，对于大尺寸金属3D 打印设备来说，光斑尺寸往往设定在80～100 μm 之间[9]。在光路设计初期，当选用二轴振镜时，光路搭配往往包含了激光器、准直镜、扩束镜、二轴振镜及场镜等，可通过调节扩束镜的设定值，来调节光斑尺寸的大小；同样在光路设计初期，当选用三轴振镜时，也就是所谓的动态聚焦系统，那么光路搭配往往包含了激光器、准直镜、动态聚焦系统及振镜，其原理是通过利用动态聚焦系统相对较长的瑞利长度，可以在一定范围内调节光斑的尺寸，同样达到相对较好的效果[10-12]。对于光斑形貌及光束质量的测量，往往要利用专业的光斑分析仪等测量工具，其方法在于首先确定好焦平面的位置，将激光摄入测量仪器中，通过在X轴及Y轴方向测得的尺寸，最终形成光斑形貌的具体样式；同时利用聚焦离焦不同状态下测量的数据，最终拟合得出光束质量的结果。

3 结束语

本文阐述了佛山季华实验室下属新型增材制造研究院所自主开发的大尺寸金属增材制造装备关于风场及光学校准方面的过程经验。中国金属增材制造产业尚未形成“材料—工艺—装备—应用”的科研和制造的完整产业链，还处于对材料、打印装备和打印工艺参数的研究和积累阶段，因此加快提升和完善大尺寸金属增材制造装备及相关工艺水平，对实现中国在高端制造领域的市场化、规模化有着相当重要的意义。并且季华实验室新型增材制造研究院力争结合团队工艺材料开发和金属粉末雾化装备及工艺研发平台，尽早实现以覆盖核心技术链为研发中心、以科研为基础、以工程化及应用化为目标导向、以佛山本土先进制造为极核，共同引领粤港澳大湾区增材制造技术快速发展的美好愿景。