目前在企業(yè)的批量生產(chǎn)中，釋放增材制造的潛力并讓企業(yè)獲得盈利，需要重點關注兩件事：一是采用與傳統(tǒng)工藝方法相同或更低的成本制造零部件；二是生產(chǎn)出與傳統(tǒng)工藝同等質量水平的產(chǎn)品。當無法實現(xiàn)這兩種目的時，增材制造應用進入持續(xù)生產(chǎn)的可能性就變得非常低。

鉆頭的微型模擬圖

一旦應用增材制造技術，除了能給廠商帶來直接經(jīng)濟效益外，還可以獲得極大的設計自由度和靈活的生產(chǎn)鏈。例如在沒有大存儲備材的情況下，廠商可以根據(jù)客戶需求快速生產(chǎn)出零部件。

但是，影響單位制件成本的最大因素仍然是增材制造系統(tǒng)的生產(chǎn)率。近期，作者和EOS公司創(chuàng)新團隊的同事們開發(fā)出一種用于3D金屬打印的“輕型發(fā)動機”，可以將建造時間縮短到5的倍數(shù)級，從而大大提升了生產(chǎn)效率。

增強工具組以獲得生產(chǎn)力

當前行業(yè)內的標準增材制造工藝能夠滿足高質量和精確的要求，但在加工大體積零件上卻受限。想象一下你需要用一把小刷子去刷一個大房間，小刷子可以刷到任何角落，但刷完房間所有表面既費時又費力。很明顯，更合理的做法是使用滾筒，這樣你就能快速地刷完整個房間。在增材制造領域，類似合乎邏輯的做法就是擴展現(xiàn)有的工具組。

在激光粉末床熔化（LPBF）中，激光光束與粉末相互作用的形狀是影響熔化過程的主要因素。EOS公司創(chuàng)新管理部門的Anoush，對此就寫了一篇關于操縱多種激光光束，以激發(fā)金屬零部件在增材制造領域潛在價值的文章。現(xiàn)在，在一臺增材制造機器上做出任何大小和形狀的激光光斑已不再困難。

EOS 公司創(chuàng)新團隊與合作伙伴開發(fā)了一種新型光學系統(tǒng)，可在連續(xù)光斑尺寸范圍內形成數(shù)千瓦激光功率

事實上，有一種更直接的解決方案適合今天的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，即擴大高斯激光的光斑直徑。通過這種方式并配合高功率激光系統(tǒng)，就能在短時間內向材料注入更多的能量，加速熔化過程。

但除了擴大光斑直徑外，你可能還需要對光斑點進行精確定位，從而使得加工件擁有銳利的邊緣和出色的細節(jié)。需要注意的是，你所選擇的工具組需要足夠靈活，以便為不同的應用場景選擇正確位置，同時還能承受住生產(chǎn)過程中高功率激光的沖擊。

在嘗試擴大光斑直徑的過程中，研發(fā)人員遇到的技術挑戰(zhàn)是在整個激光工作范圍內保持穩(wěn)定的預定光斑直徑和強度分布，偏差引起的工藝波動會使生產(chǎn)部件出現(xiàn)材料缺失。但因為采用了超低吸收光學元件，其數(shù)千瓦激光功率對工作區(qū)域強度分布的影響降低了4倍。

此外，研究人員正在研發(fā)一種與掃描儀分開安裝的創(chuàng)新內聯(lián)測量系統(tǒng)，以監(jiān)測光學系統(tǒng)的光流性能。采用這種方法，不僅可以通過反饋回路控制消除在加工過程最后產(chǎn)生的殘留物，還可以為高端工業(yè)認證生產(chǎn)系統(tǒng)建立起巨大優(yōu)勢。例如在航空航天領域，標準“SAEAMS7003激光粉末熔床工藝”要求用戶在生產(chǎn)過程中隨時監(jiān)控增材制造系統(tǒng)的光路，以確保必要的質量水平。

為了實現(xiàn)工藝及應用開發(fā)所需的最大靈活性，其工藝軟件也需要能夠修改，以允許直接分配參數(shù)特定的光斑尺寸。現(xiàn)在，研發(fā)人員通過該裝置可以根據(jù)不同參數(shù)（例如輪廓、填充、下層、上層等）設置不同的光斑點，甚至可以根據(jù)不同的光斑類型做出調整，以優(yōu)化每部分區(qū)域的能量輸入。

由不同大小光斑矢量組成的單一曝光產(chǎn)生的熔化軌跡

為了挖掘增材制造工藝的潛力，研究人員在EOSM280實驗室機器上安裝了這種光學系統(tǒng)，并搭載了1000W激光頭，它們非常適合快速和靈活的工藝實驗。接下來，研究人員還進行了幾項實驗，包括構建了一個316升立方體，其過程包含了多種關鍵工藝變量，如光斑大小、激光功率、掃描速度和剖面線距離等，立方體的層厚為80微米。

在對這些樣品進行分析后，研究人員對構建速率增加的可行性以及材料密度有了大致了解。在現(xiàn)有標準參數(shù)316升高質量范圍內，可以增加倍數(shù)級為3的體積率，但仍然可以得到完全致密的材料。以各鑄造工藝的質量水平為參考，甚至可能將體積率提高到原先的4-5倍。

通過對 316 升密度立方體的高激光功率和大激光光斑直徑的的可行性研究，得出了密度隨體積率變化的結果

當然這些并不是最終結果，很多想法和改進方案仍可以添加其中，不斷突破原來的限制。我們想要強調的是，不要同時做太多的選擇，否則你會得到與預期不一樣的結果。EOS公司有非常創(chuàng)新的曝光、優(yōu)化和微調模式，盡管現(xiàn)在還不能為商業(yè)產(chǎn)品所用。

從實驗室踏入現(xiàn)實世界

測試樣品是評價材料性能時必須做的一件事，但部分材料的形狀過于簡單以至于不能反映預期的光譜設計應用。不同的表面角度和壁厚對未證明參數(shù)集的可建性影響很大。為了確定新技術基準，研發(fā)人員在測試時安裝了一個小型模擬鉆頭模型機，并在其內設置了最具應用前景的最大生產(chǎn)率參數(shù)。

這些鉆頭通常在開采地下水、熱能和其他地下資源時使用，由極硬碳化鎢制成的刀具所組成。該鉆頭是一個非常大的部件，因此很適合測試高容量率參數(shù)。正如預期的那樣，第一次建構試驗成功了，等待最后零部件成品的時間非常短。這就是開發(fā)高效生產(chǎn)系統(tǒng)的樂趣所在，你不需要非常耐心就能得到測試結果反饋。

用分段法制造葉輪的微型模擬圖

測試樣品表面的效果令人滿意，由于上下層參數(shù)調優(yōu)選項仍有許多未使用，因此仍有很大的優(yōu)化潛力。通常，工程師建造一個搭配M290建構平臺的250毫米鉆頭，需要耗時400小時以上，相當于不間斷用3D打印技術連續(xù)作業(yè)17天。順便提一下，現(xiàn)在已經(jīng)有客戶在運行時使用了這樣的應用方法。在使用新參數(shù)后，構建作業(yè)的工時是82小時左右，意味著減少了80%的時間。與標準設置相比，采用這樣的方法至少可以將成本降低一半。

生產(chǎn)力和細節(jié)的結合

重新編碼的過程非常順利，以至于研究人員已經(jīng)接受下一個挑戰(zhàn)，嘗試分段構建過程。為了將精細剖面的分辨率與較大區(qū)域的生產(chǎn)率結合起來，有必要將不同粉末層厚度的使用組合在一起。在流程工序中，研發(fā)人員按照特定分段對CAD文件進行分割，并在流程軟件中應用不同參數(shù)。

測試分段構建的零部件是一個小型模擬葉輪，例如水泵。為了造出這種薄葉片，研究人員選擇了標準層厚參數(shù)40微米，而對大塊零部件則采用了雙層80微米的高效生產(chǎn)率參數(shù)。

將此策略應用于M290建筑平臺上的4個直徑為120毫米的葉輪，可將制造時間從150小時縮短至48小時。最后，新研制的小型葉輪試驗也順利完成。在重涂流程中，兩種不同層厚度的組合沒有出現(xiàn)任何問題。

結論

在對316升密度立方體進行可行性研究后，研究人員得出結論：結合高激光功率采用更大光斑進行加工具有巨大潛力，可以將增材制造過程的速度提升至5的倍數(shù)級，并顯著降低每個零部件的成本。研究人員在試驗階段采用的是M280，轉向工業(yè)系列生產(chǎn)后，客戶可以選擇EOSM400、EOSM404或M304等機型。

當然，新的光學系統(tǒng)開發(fā)階段已經(jīng)將這些機型考慮在內，離實現(xiàn)只有一步之遙。除了自動化優(yōu)勢外，這些生產(chǎn)機器還將通過重復輸入來減少額外的構建時間。在多頭系統(tǒng)中，構建速度還能再增加4倍。因此，這項技術很容易擴展到四頭激光器上。換句話說，與直接采用單頭400W系統(tǒng)相比較，采用這項技術的四頭激光器能使生產(chǎn)率總體提升12-20倍。