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1、本书给出了以下问题的答案：多激光器增材制造系统临的挑战是什么？激光偏转的影响是什么？LCDS 等新曝光策略如何解决这些挑战？书作者Sarah Brandt,EOS 金属工艺工程师 Alexander Frey,EOS 属艺程师 实现稳定、致的零部件特性覆盖整个成型区域录多激光器系统：产效率与致性选？还是两者兼得？激光偏转：3D 打印的挑战依赖位置的熔化为LCDS 兼顾产效率与致性！结论与应前景联系式347121416插图录图 1EOS 最新的属系统，EOS M 300-4图 2EOS M 300-4 的激光扫描仪排布图 3使 EOS M 300-4、EOS MaragingSteel MS1

2、和 50 m 艺打印测试作业的实验环境图 4作业布局描述和断裂伸率结果（制造状态，未经热处理）图 5左侧是作业布局，右侧是样品显微照的部分图 6使 EOS M 300-4、EOS MaragingSteel MS1 和 50 m 艺打印测试作业的实验环境图 7展作业 A 和作业 B图 8通过 3D 度剖以及曝光后的照较与激光中距离相同的两个场区图 9析填充包的法图 10不同填充和条纹向的横截图图 11平均横截积结果的较图 12激光中依赖曝光策略 LCDS 的理论图 13激光器 3：不同曝光策略的孔隙率较34456778910111213步批量产阶段后，所有增材制造技术都在临全新挑战。为成功实现

3、向批量产的转变，提升系统的产效率势在必。为实现这标，我们的新代机器配备了更的成型空间和多个激光器。EOS 属系统产品组合中的旗舰机型 EOS M 300-4（图 1）专为批量产打造。中成型基板采耦合设计，追求更短的成型时间、实现激光器全覆盖基板，以及平衡各激光器的曝光时间以充分发挥每台激光器的性能，这些需求为艺开发带来了全新挑战。论零部件在成型基板上的位置如何，或者使哪台激光器，确保零部件质量稳定可靠都是其中个最重要的。可以充分利整个 300 x 300 mm 成型基板积进零部件定位，此外，统的夹具系统也使后处理作更加简便。与此同时，四激光器设计有助于最限度地提产率。每个激光器均可覆盖整个成型

4、区域。因此，不论负载系数或零部件定位如何，激光器都能发挥最性能。多激光器系统：产效率与致性选？还是两者兼得？3图 1：EOS 最新的属系统，EOS M 300-4。因此，我们开展了多项研究，以提成型空间 x-y 平上的零部件质量并确保质量致性。我们开发了种于DMLS 技术的新曝光策略 LCDS，下将对其进详细介绍。基板:300 mmEOS M 300-4EOS MaragingSteel MS1L4L3L1L2扫描仪覆盖范围：450 mm50 m with Flow OptimizationMaterialSystemProcess激光偏转：3D 打印的挑战图 2 展了 EOS M 300-4

5、 的光学排列。它可以划分为四个象限，每个象限的中均与四个扫描器正交投射到各象限的激光束重合。为实现成型区域的全覆盖，扫描仪的潜在扫描范围超出了成型基板的实际。这种设置带来了作区域更的挑战，因此激光的偏转度更，也就是说，射更为平缓。图 3：使 EOS M 300-4、EOS MaragingSteel MS1 和 50 m 艺打印测试作业的实验环境。图 2：EOS M 300-4 的激光扫描仪排布。激光器 L1 的潜在范围以虚线表。为了检验偏转对机械特性的影响，我们设计了种作业布局，其中垂直拉伸试棒围绕激光中以同圆式排列。随着每个圆的周逐步增加，偏转也随之增。为避免溅物污染尚未曝光的区域，我们启

6、动了“流动优化”功能。因此，曝光图案的条纹是沿着与流动向相反的向处理的，从避免了污染。激光器1 和 3 分别对这项作业（图 4）进了重复。4FlowFlow Optimization断裂伸率 A25 与距离因12,57,55,015,010,0012345678910A25%Distance Factor激光器1L3L15为确定偏转的影响进的测试作业表明，随着与激光中距离的增加，激光器 1 样品的机械特性基本保持稳定。然，激光器 3 的拉伸试棒显其抗拉强度和屈服强度有轻微下降。如图 4 所，断裂伸率受偏转程度的影响尤为明显。尽管样品数量随着与激光中距离的增加减少，从降低了统计确定性，但我们仍能

7、看出个明显趋势。激光器3图 4：作业布局描述和断裂伸率结果（制造状态，未经热处理）。需要探究的是，究竟哪种现象或影响因素导致了激光器 1 和 3 的性能差异。我们将在下节中对此进更详细地讨论。L 3成型基板L 11 mm1 mm1 mm1 mm在另项检查中，测定了在激光中附近以及激光束最偏转处的零部件孔隙率。如图 5 所，激光器 3 成的零部件密度显著降低。球形孔洞表明，由于存在未熔合孔隙产了缺陷。图 5：左侧是作业布局，右侧是样品显微照的部分。位置：激光中(L)最距离激光器1激光器3激光中 最距离6EOS M 300-4EOS MaragingSteel MS150 mMaterialSys

8、temProcess依赖位置的熔化为图 6：使 EOS M 300-4、EOS MaragingSteel MS1 和 50 m 艺打印测试作业的实验环境。为了分析激光器 1 和 3 之间的差异，我们对不同基板位置的熔化为进了深检查。测试系列的部分结果将在下节中进展。我们预计在填充级别（即单个扫描量）的研究中，会发现艺中存在的偏差（图 6 中的实验环境）。为获得具有空间分辨性的测试结果，EOS M300-4 成型基板被划分为 16 个区域，每个区域包含 16 个充当基底的试验块。在每个试验块的顶部，组代表曝光图案的填充包将熔化在最后层。将填充（扫描向量）旋转 45 度，以检查不同填充和条纹向组

9、合的效果。单向和交替填充都使激光器 1 和激光器 3进测试。作业 A（单向填充）和作业B（交替填充）的布局在图 7 中展。作业 A：单向填充作业 B：交替填充图 7：展作业 A 和作业 B，橙箭头标条纹向。成型基板7其他样品的表外观较为不规则，红区域中穿插着蓝部分。表质量会根据成型基板上的位置以及所分配的激光器有所差异。外观不均匀的区域也会导致艺过程中出现“污染”。沉积在零部件表附件的材料已法再熔化。图 8 较了激光器 1 和 3 等距场域中填充包的度剖，以及曝光后拍摄的相应图。如图所，表图形会根据填充和条纹向的不同组合呈现出截然不同的特征。些表看起来常均匀并显出连续的红区域，这表明熔化区域度

10、致且分均匀。填充包的视觉评估图 8：通过 3D 度剖以及曝光后的照较与激光中距离相同的两个场区（作业 A）。箭头指单向填充量的向以及条纹的起始点。度剖激光器 1激光器 3曝光后的照8ZyxXzxIntegral CrossCut area mm2填充包x mmBasez mm9在下步中，我们将通过测量数据来进步证实这些初步的视觉印象。为了测量每个填充-条纹组合的体积增加情况，我们将进 3D 度剖扫描。我们可以通过填充包上的多条轮廓线来确定横截积（图 9）。确定最终材料的体积图 9：分析填充包的法。利多条轮廓线并进积分计算，来测量横截积。单向填充作业 A1,41,21,00,80,60,40,2

11、1,41,21,00,80,60,40,2awaytowardsCross Cut Area A mm条纹向激光器 1激光器 3选向不利向10同时，调整填充向，使其朝向激光中也是分有益的。在较交替和单向填充法的性能时，我们发现，如果所有填充都指向同向，并且配合理想的曝光法，可以熔化更多的材料。总之，两种激光器表现出相似的为。如图 10 所，我们分别针对作业 A（单向剖线）和 B（交替剖线），绘制了激光器 1 和 3 的横截积随条纹和填充向的变化。x 轴按照填充和条纹是远离还是朝向激光中进了划分。在下图中，远离激光中的条纹向通常与较的材料堆积量有关。交替填充作业 BCross Cut Area

12、A mmawaytowardsawaytowards填充向条纹向awaytowards图 10：不同填充和条纹向的横截图。111,41,21,00,80,60,40,212345678910Cross Cut Area A mmDistance Factor选向 不利向图 11：平均横截积结果的较，选和不利填充-条纹组合随距离因（激光偏转）变化。在图 11 中，我们将所有选向（图10 中的绿矩形）与不利向（图 10中的红矩形）的平均横截积进了较，并就其随距离因（另请参图4 中的距离因）激光中的变化进了绘图。显然，当加位置远离激光中时，条纹和填充向对加结果的影响变得更为显著。填充向量朝向激光中L

13、aserCenterLaserCenterHatchDirectionStripeDirection12LCDS 兼顾产效率与致性！第视觉印象和材料堆积评估都暗条纹供给向和填充量向之间存在明显联系。在较对的激光器 1 和激光器 3 时，流动向在熔化材料体积起次要作。关于以填充为重点的研究结果，我们可以得出如下总结（图12）：通常，我们更倾向于选择朝向激光中的填充向量，因为这样可以在加区域添加相对较多的材料并减少材料喷射。1.这两条规则构成了 LCDS 的核。我们不再将层流惰性体的流动向作为唯的参考点，是提出以激光中位置作为指导准则，这就是 LCDS 缩写所代表的含义：在条纹向上，情况似乎恰恰相

14、反：应该优先选择远离激光中的条纹。使得曝光图案能够根据位置进相应调整。2.激光中依赖曝光策略 LCDES条纹远离激光中图 12：激光中依赖曝光策略 LCDS 的理论，指出了选（绿）与应避免（红）的填充（细箭头）和条纹（粗箭头）向。初步测试已经成功验证了 LCDS。图 13展了使 LCDS 与标准曝光法相所能达到的孔隙率结果。L 3成型基板Boxplot of Defect-%0,050,200,150,100,25ReferenceLCDS:only StripesLCDS:Stripes and HatchesDefect-%13图 13：激光器 3：不同曝光策略的孔隙率较，涵盖成型基板上的

15、全部 16 个位置。（蓝：“流动优化”/灰：LCDS 条纹调整/橙：LCDS 填充和条纹调整）在成型基板的 16 个位置上，我们采了不同的曝光策略来布置和成致密性试验块：参考基准（“流动优化”）、仅基于条纹的 LCDS 以及基于条纹和填充的 LCDS。在此设置中，所有零部件均由激光器 3 处理。孔隙率的降低可以这样解释：材料熔化较少或没有熔化的层已乎消除，因未熔合导致的孔隙显著减少。图 13 中的箱形图表明，使 LCDS 可以降低孔数据差异性较低表明，论成型基板位置如何，零部件特性均保持致。除了致性之外，LCDS 还有其他优势：不受机器影响：使 LCDS 的优势并不局限于特定的机器类型或制造商

16、。如图所，即使是短距离场景，也已经显出对条纹和填充LCDS 设置可以单独使：当不希望过多偏离当前采交替填充的标准曝光图案时，可以单独使这些法以实现改善。通过选择条纹调整，我们已经能够获得更为出的效果。减少材料喷射：在成型过程中，加区域内熔化材料的喷射情况幅减少，这不仅使得整个过程更为清洁，且有助于减少粉末废料和化。提表平整度：我们可以专采能够产最低表粗糙度的填充和条纹向，以实现上照射。向的依赖性。因此，每台机器都有可能从这种曝光图案中受益。但显然，具有型平台尺和激光扫描覆盖范围的系统获益最。14结论与应前景在增材制造中，我们充分利了较的成型区域，并且采了具有全场覆盖的多激光器系统，使得扫描仪的

17、使范围得到了最化的发挥。这就带来了个挑战：即我们需要确保论零部件位置或激光束偏转度如何，都能得到致且均匀的加结果。在特定条件下，当前的曝光策略揭出机械特性和孔隙率与激光束偏转度之间存在依赖关系。经过详细研究后，我们揭了加结果与曝光的填充和/或条纹向之间的相关性。基于这些发现，我们开发了种名为 LCDS 的新曝光策略，其曝光图案（填充/条纹）根据激光中进定向。初步实验成功地表明，采LCDS 策略可以在整个成型基板上实现稳定、致的零部件特性。由于这些仅为初步测试，我们很快将发布另份关于此主题的书。敬请期待更多资讯！零部件特性仅供参考，EOS 不对零部件的实际特性做出任何陈述或担保，也不承担任何责任

18、。零部件特性取决于多种影响因素，因此，实际的零部件特性可能与此处所述的信息存在偏差。本档本并不代表任何零件设计的充分依据，也不提供任何关于材料或零部件的特定特性或材料或零部件对特定应的适性的协议或担保。实现某些零部件特性以及评估此材料对特定途的适性是的责任。作者Alexander Frey 属艺程师Alexander 在因斯布鲁克学获得了机电体化专业的学和硕学位。他的硕论是关于增材制造领域的个主题。该论的核研究成果在篇名为“通过调整激光粉末床熔合艺条件，获得IN718 单晶样微结构”的论中发表。在 EOS，他是研发部属艺开发团队的员。他和 Sarah Brandt 共同撰写了本书。联系式：Me

19、talProcessTechnologyeos.info15总部EOS GmbHElectro Optical SystemsRobert-Stirling-Ring 182152 Krailling/Munich,Germany电话：+49 89 893 36-0infoeos.infowww.eos.info EOS EOS3DPrinting#responsiblemanufacturing#futureisadditive 针对 DMLS 技术的创新曝光策略增材制造前正在从原型设计发展到批量产。为满更的产效率需求，我们正在开发具有更成型空间和多个激光器的业3D 打印机。凭借更的成型基板

20、，外加各个激光扫描单元所能实现的全覆盖范围，激光束的射将更加平缓。零部件的质量同样不容忽视，在批量产中，零部件特性出现较差异是绝不允许的。在本书中，我们针对属激光粉末床熔合(LPBF)艺，探讨了艺质量对激光中位置的依赖性。根据研究结果，我们提出了种新的曝光策略，这种策略能够减少幅偏转激光束产的不良效应，同时保证在整个成型基板上实现稳定、致的零部件特性。EOS中国区易欧司光电技术（上海）有限公司中国上海市闵区光华路248号5号楼1楼电话：+86 21 6023 eos.infoEOS增材制造08/2022版。EOS 已通过 ISO 9001 认证。EOS、EOSTATE、Additive Minds 和易欧司是 EOS GmbH 在些国家或地区的注册商标。如需了解更多详情，请访问 www.eos.info/trademarks