中航邁特光束整形金屬3D打印技術(shù)取得重要進展，多種材料已成功驗證

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。

?? 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。

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%。

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。

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。

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。

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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