EOS：2024实现稳定、一致的零部件特性白皮书

作啬SarahBrandt,EOS金属工艺工程师AlexanderFrey,EOS⾦属⼯艺⼯程师实现稳定、⼀致的零部件特性覆盖整个成型区域本⽩⽪书给出了以下问题的答案：多激光器增材制造系统⾯临的挑战是什么？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？3471234712141634456778910111213EOSM300-4的激光扫描仪排布业的实验环境图4作业布局描述和断裂伸⻓率结果（制造状态，未经热处理）图5左侧是作业布局，右侧是样品显微照⽚的⼀部分业的实验环境图7展⽰作业A和作业B图8通过3D⾼度剖⾯以及曝光后的照⽚⽐较与激光中⼼距离相同的两个场区图9析填充包的⽅法不同填充和条纹⽅向的横截⾯图图11平均横截⾯积结果的⽐较图12激光中⼼依赖曝光策略LCDS的理论图13激光器3：不同曝光策略的孔隙率⽐较3多激光器系统：⽣产效率与⼀致性⼆选⼀？还是两者兼得？步⼊批量⽣产阶段后，所有增材制造技术都在⾯临全新挑战。为成功实现向批量⽣产的转变，提升系统的⽣产效率势代机器配备了更⼤的成型空间和多个激EOS⾦属系统产品组合中的旗舰机型‒可以充分利⽤整个300x300mm²成⼀的夹具系统也使后处理⼯作更加简⼤限度地提⾼⽣产率。每个激光器均可数或零部件定位如何，激光器都能发挥追求更短的成型时间、实现激光器全⾯覆盖基板，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，这些需求为⼯艺开发带来了全新挑战。⽆论零部件在成型基板上的位置如何，或者使⽤哪⼀台激光器，确保零部件质量稳型空间x-y平⾯上的零部件质量并确保将对其进⾏详细介绍。4激光偏转：3D打印的挑战的中⼼均与四个扫描器正交投射到各⾃象限的激光束重合。为实现成型区域的全⾯覆盖，扫描仪的潜在扫描范围超出这种设置带来了⼯作区域更⼤的挑战，激光器L1的潜在范围以虚线表⽰。图3：使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作业的实验环境。为了检验偏转⻆对机械特性的影响，我们设计了⼀种作业布局，其中垂直拉伸试棒围绕激光中⼼以同⼼圆⽅式排列。随着每个圆的周⻓逐步增加，偏转⻆也为避免⻜溅物污染尚未曝光的区域，我光图案的条纹是沿着与流动⽅向相反的⽅向处理的，从⽽避免了污染。激光器1和3分别对这项作业（图4）进⾏了5为确定偏转的影响⽽进⾏的测试作业表器1样品的机械特性基本保持稳定。然⽽，激光器3的拉伸试棒显⽰其抗拉强度和屈服强度有轻微下降。如图4所⽰，断裂伸⻓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⼼距离的增加⽽减少，从⽽降低了统计确定性，但我们仍能看出⼀个明显断裂伸⻓率A25与距离因⼦DistanceFactorDistanceFactor图4：作业布局描述和断裂伸⻓率结果（制造状态，未经热处理）。FlowOptimizationFlowFlow在另⼀项检查中，测定了在激光中⼼附近以及激光束最⼤偏转处的零部件孔隙于存在未熔合孔隙⽽产⽣了缺陷。图5：左侧是作业布局，右侧是样品显微照⽚的⼀部分。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。我们将在下⼀节中对此进⾏更详细地讨论。67依赖位置的熔化⾏为图6：使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作业的实验环境。们对不同基板位置的熔化⾏为进⾏了深⼊检查。测试系列的部分结果将在下⼀块。在每个试验块的顶部，⼀组代表曝光图案的填充包将熔化在最后⼀层。将不同填充和条纹⽅向组合的效果。单向和交替填充都使⽤激光器1和激光器3进⾏测试。作业A（单向填充）和作业作业A：单向填充作业B：交替填充图7：展⽰作业A和作业B，橙⾊箭头标⽰条纹⽅向。8充和条纹⽅向的不同组合呈现出截然不同的特征。⼀些表⾯看起来⾮常均匀并显⽰出连续的红⾊区域，这表明熔化区域⾼度⼀致且⼗分均匀。其他样品的表⾯外观较为不规则，红⾊区域中穿插着蓝⾊部分。表⾯质量会根据成型基板上的位置以及所分配的激光器⽽有所差异。外观不均匀的区域也会导致⼯艺过程中出现“污染”。沉积在零部件表⾯附件的材料已⽆法再熔化。曝光后的照⽚⾼曝光后的照⽚⾼度剖⾯图8：通过3D⾼度剖⾯以及曝光后的照⽚⽐较与激光中⼼距离相同的两个场区（作业A）。箭头指⽰单向填充⽮量的⽅向以及条纹的起始点。9在下⼀步中，我们将通过测量数据来进⼀步证实这些初步的视觉印象。为了测们可以通过填充包上的多条轮廓线来确y >xZXAzxAzx图9：分析填充包的⽅法。利⽤多条轮廓线并进⾏积分计算，来测量横截⾯积。10（单向剖⾯线）和B（交替剖⾯线绘制了激光器1和3的横截⾯积随条纹和填充⽅向的变化。x轴按照填充和条分。在下图中，远离激光中⼼的条纹⽅向通常与较⼤的材料堆积量有关。⼼也是⼗分有益的。在⽐较交替和单向有填充都指向同⼀⽅向，并且配合理想的曝光⽅法，可以熔化更多的材料。总单向填充作业ACrossCrossCutAreaA[mm]图10：不同填充和条纹⽅向的横截⾯图。交替填充作业BCrossCrossCutAreaA[mm]11CrossCrossCutAreaA[mm]10DistanceFactor图11：平均横截⾯积结果的⽐较，⾸选和不利填充-条纹组合随距离因⼦（激光偏转）变化。在图11中，我们将所有⾸选⽅向（图10中的绿⾊矩形）与不利⽅向（图10中的红⾊矩形）的平均横截⾯积进⾏了⽐较，并就其随距离因⼦（另请参⻅图4中的距离因⼦）⾄激光中⼼的变化进⾏了绘图。显然，当加⼯位置远离激光中⼼时，条纹和填充⽅向对加⼯结果的影响变得更为显著。12LCDS兼顾⽣产效率与⼀致性！第⼀视觉印象和材料堆积评估都暗⽰条纹供给⽅向和填充⽮量⽅向之间存在明显联系。在⽐较对⽴的激光器1和激光起次要作⽤。关于以填充为重点的研究结果，我们可以得出如下总结（图1.通常，我们更倾向于选择朝向激光中⼼的填充向量，因为这样可以在加⼯区域添加相对较多的材料并减反：应该优先选择远离激光中⼼的条纹。使得曝光图案能够根据位置不再将层流惰性⽓体的流动⽅向作为唯⼀的参考点，⽽是提出以激光中⼼位置A填充向量A填充向量图12：激光中⼼依赖曝光策略LCDS的理论，指出了⾸选（绿⾊）与应避免（红⾊）的填充（细箭头）和条纹（粗箭头）⽅向。所能达到的孔隙率结果。13成型基板3Defect-%[%]图13：激光器3：不同曝光策略的孔隙率⽐较，涵盖成型基板上的全部16个位置。（蓝⾊：“流动优化”/灰⾊：LCDS条纹调整/橙⾊：LCDS填充和条纹调整）Defect-%[%]在成型基板的16个位置上，我们采⽤了不同的曝光策略来布置和⽣成致密性基于条纹的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⼏乎消除，因未熔合⽽导致的孔隙显著减少。图13中数据差异性较低表明，⽆论成型基板位.不受机器影响：使⽤LCDS的优势并不局限于特定的机器类型或制造向的依赖性。因此，每台机器都有可能从这种曝光图案中受益。但显然，具有⼤型平台尺⼨和激光扫描.LCDS设置可以单独使⽤：当不希望过多偏离当前采⽤交替填充的标准曝光图案时，可以单独使⽤这些⽅法以实现改善。通过选择条纹调整，我们已经能够获得更为出⾊的.减少材料喷射：在成型过程中，加⼯区域内熔化材料的喷射情况⼤幅减少，这不仅使得整个过程更为清洁，⽽且有助于减少粉末废料和⽼.提⾼表⾯平整度：我们可以专⻔采⽤能够产⽣最低表⾯粗糙度的填充14结论与应⽤前景在增材制造中，我们充分利⽤了较⼤的成型区域，并且采⽤了具有全场覆盖的多激光器系统，使得扫描仪的使⽤范围得到了最⼤化的发挥。这就带来了⼀个挑战：即我们需要确保⽆论零部件位置或激光束偏转⻆度如何，都能得到⼀致且均匀的加⼯结果。在特定条件下，当前的曝光策略揭⽰出机械特性和孔隙率与激光束偏转⻆度之间存在依赖关系。经过详细研究后，我们揭⽰了加⼯结果与曝光的填充和/或条纹⽅向之间的相基于这些发现，我们开发了⼀种名为LCDS的新曝光策略，其曝光图定向。初步实验成功地表明，采⽤LCDS策略可以在整个成型基板上实现稳定、⼀致的零部件特性。由于这些仅为初步测试，我们很快书。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。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。本⽂档本⾝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⽤的适⽤性的协议或担保。实现某些零部件特性以及评估此材料对特定⽤途的适⽤性是⽤⼾的责任。AlexanderFrey⾦属⼯艺⼯程师Alexander在因斯布鲁克⼤学获得了机电⼀体化专业的学⼠和硕⼠学位。他的硕⼠论⽂是关于增材制造领域的⼀个主题。该论⽂的核⼼研究成果在⼀篇名为“通过调整激光粉末床熔合⼯艺条件，获得IN718单晶样微结构”的论⽂中发表。在EOS，他是研发部⾦属⼯艺开发团队的⼀员。他和SarahBrandt共同撰写了本⽩⽪书。联系⽅式：MetalProcessTechnology@针对DMLS®技术的创新曝光策略增材制造⽬前正在从原型设计发展到批量⽣产。为满⾜更⾼的⽣产效率需求，我们正在开发具有更⼤成型空间和多个激光器的⼯业3D打印机。凭借更⼤的成型基板，外加各个激光扫描单元所能实现的全⾯覆盖范围，激光束的⼊射⻆将更加平缓。零部件的质量同样不容忽视，在批量⽣产中，零部件特性出现较⼤差异是绝不允许的。在本⽩⽪书中，我们针对⾦属激光粉末床熔合(LPBF)⼯艺，探讨了⼯艺质量对激光中⼼位置的依赖性。根据研究结果，我们提出了⼀种新的曝