中航邁特在金屬3D打印裝備研發(fā)方面持續(xù)發(fā)力,尤其是光束整形技術(shù)近期取得重要進展。
在本屆TCT亞洲展,它推出的MT280搭載了無級點環(huán)光斑能量智調(diào)系統(tǒng),是光束整形金屬3D打印當(dāng)前較新的看點。
據(jù)3D打印技術(shù)參考了解,無級點環(huán)光斑能量智調(diào),可以實現(xiàn)高斯光、環(huán)形光與點環(huán)光斑在0.4S內(nèi)瞬時完成動態(tài)變換,整個過程使用全電動調(diào)節(jié),無需人工更換光學(xué)組件。
中航邁特MT280設(shè)備搭載了兩臺1000W的高功率激光,該公司針對這一新的光束整形解決方案探索發(fā)現(xiàn),它能夠有效提升制造效率、保障制造質(zhì)量,同時對于難打印材料工藝開發(fā)也大有幫助。
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?? 光斑能量調(diào)控是難點
以不同光斑打印不同區(qū)域,可以實現(xiàn)打印質(zhì)量與效率的雙重保障。
高斯光斑適合打印零件的外輪廓和內(nèi)壁,保證零件的制造精度和表面質(zhì)量。
環(huán)形光斑也被稱為逆高斯光束,它的中心能量較低但邊緣較高,呈現(xiàn)出環(huán)形輪廓,這也使它在打印過程中的飛濺物大幅減少。但環(huán)形光本身的穿透力較弱,單獨使用又容易引發(fā)缺陷。筆者注意到,中航邁特可實現(xiàn)點環(huán)功率比的靈活調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)理想的熔化效果與致密度。
點環(huán)光斑實質(zhì)上是上述兩種光斑的復(fù)合,且光斑能量分布可動態(tài)調(diào)整,這也是光束整形技術(shù)能否用得好的難點。在不同的結(jié)構(gòu)特征處,使用同一能量分布狀態(tài)的光斑,還是針對性的,對懸垂、薄壁、上表面、下表面等位置智能識別與調(diào)控能量狀態(tài),使之達到“最”理想的狀態(tài),將會有很大區(qū)別。
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因此,光束整形是否真的用得好,對能量的調(diào)控并不簡單。
中航邁特指出,其MT280設(shè)備可根據(jù)不同打印區(qū)域自動匹配最佳光斑模式,光斑形態(tài)可編程控制,0–100%功率密度比無級調(diào)節(jié),能量分配更加精準(zhǔn)。
MT280無極變束方案打印過程
新升級的MT280光束整形金屬3D打印機,具備高效率與高精度兼顧的打印能力。實驗發(fā)現(xiàn),這種光束協(xié)同作用,能夠有效抑制飛濺超過約40%,大幅降低熔池振蕩與改善熔池穩(wěn)定性,減少孔隙、飛濺附著等缺陷產(chǎn)生,能夠顯著提升成型一致性與零件質(zhì)量。此外,相比傳統(tǒng)高斯光,整體生產(chǎn)效率可提升約30%。
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高斯光束、環(huán)形光束、貝塞爾光束熔化過程組織形貌仿真
?? 典型材料驗證
中航邁特采用該設(shè)備開展了多輪次材料及零件驗證,涉及鎳基高溫合金以及鈦合金等。其中,MTIN939鎳基高溫合金的粉末飛濺率大幅降低,打印效率提升超過50%,打印試塊成形致密度超過99.95%,力學(xué)性能也得到提升;以高斯光輪廓+點環(huán)光填充”的雙光斑打印了Ti6Al4V鈦合金葉輪,零件致密度超過99.8%,表面質(zhì)量優(yōu)異。
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中航邁特設(shè)備研發(fā)團隊還進行了系列粉末成型的批量化驗證,如:采用MT-18Ni300模具鋼打印冷卻模具、MT-CuCrZr銅合金打印電子/散熱結(jié)構(gòu)等,在尺寸精度、表面質(zhì)量及成形致密度等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的工藝性能。
?? 難打印材料工藝開發(fā)更靈活
筆者注意到,中航邁特還采用光束整形技術(shù)開展了對易開裂、工藝窗口窄的K438鎳基高溫合金新打印工藝開發(fā)。
中航邁特首先優(yōu)化了K438的成分設(shè)計與制粉工藝,使其更適合用于激光打印。同時,采用167μm光斑直徑的環(huán)形光束替代70μm直徑的高斯光束。系統(tǒng)對比發(fā)現(xiàn),環(huán)形光束具有更寬的工藝窗口,且打印過程飛濺顯著減少,孔隙、裂紋密度明顯降低,材料性能也得到了提高。
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該驗證體現(xiàn)出光束整形技術(shù)在難打印材料開發(fā)方面具有重要潛力,同時也體現(xiàn)出中航邁特對該技術(shù)的研發(fā)與經(jīng)驗積累進一步增強。
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實際上光束整形并不是一項新技術(shù),它在傳統(tǒng)激光加工行業(yè)已經(jīng)有廣泛的使用,已經(jīng)有成熟的解決方案。光束整形的核心目標(biāo)就是解決傳統(tǒng)高斯光束“中心能量高、邊緣能量低”的能量不均勻問題。主要手段是通過光學(xué)衍射元件、透鏡組或光纖模式控制等光學(xué)手段,認(rèn)為改變激光能量分布狀態(tài)。
因此,傳統(tǒng)行業(yè)的解決方案可以針對金屬3D打印進行優(yōu)化后進行使用。這應(yīng)當(dāng)是國內(nèi)光束整形金屬3D打印發(fā)展如此迅速的重要原因,我國也正在走出一條具有典型特色的道路。
注:本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作,未經(jīng)聯(lián)系授權(quán),謝絕轉(zhuǎn)載。
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