光束診斷改善激光增材制造工藝

轉(zhuǎn)載自 榮格

  激光增材制造（Laser additive manufacturing，簡(jiǎn)稱LAM）正迅速成為原型制造和金屬部件生產(chǎn)的重要方法。然而，這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際上還處于起步階段，在新材料開發(fā)以及在了解各項(xiàng)工藝參數(shù)如何對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響等方面，還需要做很多工作。尤其需指出的是，通常情況下，激光增材制造方法對(duì)激光性能產(chǎn)生相對(duì)較小的工藝窗口，意味著激光光束和掃描參數(shù)的微小變化便會(huì)對(duì)最終的質(zhì)量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。 

  本文對(duì)提供最佳結(jié)果的激光光束所需要的特征做了研究，并且展示了一種新的光束監(jiān)測(cè)技術(shù)如何在激光3D制造系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。最終，這種技術(shù)將使光束問題在它們嚴(yán)重影響使用LAM生產(chǎn)的零件品質(zhì)前便得到鑒別和糾正。

  大多數(shù)傳統(tǒng)的加工技術(shù)屬于減材性質(zhì)。也就是說，它們選擇性地從基材上去除材料以打造出所需的形狀。然而，增材制造手段的工作方式與其相反，它是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。粉床熔融（PBF）——這一作為生產(chǎn)成品部件的主要的LAM技術(shù)，從本質(zhì)上看是使用金屬粉末和激光源進(jìn)行熔化的一種金屬3D打印技術(shù)。 

  在PBF工藝中，一層厚度約20-60μm的金屬粉末首先使用涂刷刀片被均勻鋪展在構(gòu)建底板上，構(gòu)建底板是指可以垂直移動(dòng)的平臺(tái)。然后，激光對(duì)粉末進(jìn)行掃描，以選擇性地熔化并以其所需的圖案將其重新固化。一道粉末層完成后，粉床的厚度被降低一定的數(shù)量，相當(dāng)于粉末層的厚度，并且在其上面鋪展新的粉末層。激光寫入該粉末層，并重復(fù)該過程直至完成。最后，去除剩下的未熔化的粉末以展現(xiàn)出成品。

PBF工藝通常在200-500W功率范圍內(nèi)采用近紅外（NIR）摻鐿光纖激光器。它們以二維（x和y）形式掃描，并用高質(zhì)量的f-theta掃描透鏡進(jìn)行聚焦，以實(shí)現(xiàn)100μm范圍內(nèi)的光斑尺寸。這種功率和光斑尺寸的結(jié)合有利于產(chǎn)生足夠的能量來快速熔化金屬粉末。事實(shí)上，重要的是確保功率密度在切割或鉆孔構(gòu)建板時(shí)不會(huì)太高，或不會(huì)穿透金屬粉末太深。最理想的情況是：激光器應(yīng)完全融化新的粉末層和前一道粉末層中的少量部分，以完全融合兩者，并在整個(gè)部件上實(shí)現(xiàn)均勻的材料性能。

  聚合物材料在3D打印方面的靈活性和速度使其成為工程和原型設(shè)計(jì)中廣泛使用的工具。 

  PBF在使用金屬加工以及在為成品零部件提供強(qiáng)大的機(jī)械性能方面的能力使這種技術(shù)成為各行各業(yè)（包括航空航天、牙醫(yī)、賽車，甚至珠寶）制造實(shí)際生產(chǎn)零件的實(shí)用技術(shù)。 

  具體來說，PBF在生產(chǎn)采用其他方法成本高昂，以及機(jī)械復(fù)雜的高價(jià)值的關(guān)鍵部件的應(yīng)用中最為有效。實(shí)例包括具有復(fù)雜曲線的形狀，以及內(nèi)孔和通道等。 

  PBF工藝的一個(gè)突出例子是GE航空集團(tuán)生產(chǎn)用于Leap噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴。據(jù)GE航空表示，這個(gè)獨(dú)立部件創(chuàng)建了內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)和冷卻通道 - 取代了由18個(gè)獨(dú)立部件組成的機(jī)加工組件。采用激光增材制造技術(shù)打造的零件，與機(jī)加工生產(chǎn)的產(chǎn)品相比，其重量減少25%，而耐久性高出約5倍。由于每個(gè)Leap噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)都含有這些噴嘴中的19個(gè)組件，因此重量減輕會(huì)顯著降低燃料的用量。

  盡管市面上已經(jīng)有許多先進(jìn)的PBF交鑰匙系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)并不能為某些應(yīng)用提供獲得成功所需的過程控制水平。例如，在制造過程中存在各種與可能造成淀積工藝?yán)щy或?qū)е伦罱K產(chǎn)品出現(xiàn)不理想的應(yīng)力特性息息相關(guān)的零部件定向方面的考量因素。因而采用當(dāng)前的商用型PBF系統(tǒng)無法完全解決這些問題。 

  此外，商用型激光增材制造系統(tǒng)也面臨著與材料成本相關(guān)的挑戰(zhàn)。例如，盡管這些系統(tǒng)能夠加工各種粉末類型，包括鋁、鈷、鈦、不銹鋼和鎳合金，但每種都需要不同的沉積參數(shù)。在許多情況下，這些是機(jī)器供應(yīng)商專有的，通常必須以10,000-20,000美元的價(jià)格單獨(dú)購買。而且，由于它們被直接下載到機(jī)器中，用戶仍可能無法獲取和使用針對(duì)其特定需求用于優(yōu)化或修改工藝流程所需的所有參數(shù)。 

  就材料方面來說，需注意的是目前使用的粉末基本上都是為傳統(tǒng)的鍛煉金屬制造技術(shù)開發(fā)的合金（其通常涉及熔融、成形和隨后的熱加工等多個(gè)步驟）。當(dāng)在激光增材制造過程中迅速熔化和重新固化時(shí)，它們也不會(huì)產(chǎn)生所需的相同的物理性質(zhì)（例如抗拉強(qiáng)度）。因此，一個(gè)重要的研究領(lǐng)域是開發(fā)出能夠在應(yīng)用激光增材制造技術(shù)時(shí)提供物理特性得到改善的新型材料。事實(shí)上，這對(duì)擴(kuò)大該技術(shù)的效用至關(guān)重要。

  基于這些因素，有許多研究團(tuán)隊(duì)和最終用戶希望能修改現(xiàn)有的系統(tǒng)或構(gòu)建他們自己的LAM系統(tǒng)，從而使其能夠完全對(duì)每個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)研和控制，這將有助于結(jié)果的改進(jìn)。

  雖然大多數(shù)激光增材制造系統(tǒng)軟件中指定的工藝參數(shù)超過100個(gè)，但一些最關(guān)鍵的工藝參數(shù)（操作者幾乎無法控制）與聚焦激光束的功率、形狀和尺寸有關(guān)，這些最終會(huì)決定創(chuàng)建特征的尺寸以及材料的物理特性。鑒于此，光束計(jì)量對(duì)于該過程而言就變得特別重要。 

  有幾個(gè)因素會(huì)造成光束變化。首先，激光輸出中可能存在固有的功率漂移。其次，PBF工藝中使用的輸出功率水平足以在光束傳輸光學(xué)器件中引起熱透鏡效應(yīng)，這可能會(huì)改變光束束腰位置以及導(dǎo)致光斑形狀變形。此外，由于光束在寬視野下被掃描，所以在掃描場(chǎng)的邊緣位置，光斑形狀通常被拉長(zhǎng)。 

  這些考量點(diǎn)直接導(dǎo)致在PBF系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量激光功率、光斑尺寸、模式細(xì)節(jié)以及光束束腰位置的需求。需指出的是，非常有必要在最終的F-theta掃描透鏡之后獲得這些測(cè)量值，而不是在光學(xué)系統(tǒng)中的某個(gè)中間點(diǎn)位獲得這些值，從而使光束能夠及早“相遇”這些可能對(duì)其產(chǎn)生影響的所有因素。此外，最終需要開發(fā)一種快速測(cè)量方法，以便可以在每層的寫入周期之間測(cè)量功率密度和光束束腰位置，而不會(huì)顯著減緩沉積速度。這將對(duì)激光飛行加工模式下的激光輸出做出必要的更正。

  遺憾的是，用于測(cè)量激光模式、光束束腰位置和激光功率的傳統(tǒng)技術(shù)在本應(yīng)用中的使用受到限制。具體來說，激光模式測(cè)量?jī)x器一般是通過在離目標(biāo)源較遠(yuǎn)位置的激光束上依次掃描狹縫或孔徑來進(jìn)行操作。這樣可以獲得傳播特征（模式）的全息圖像，并確定精準(zhǔn)的光束束腰位置。然而，這種測(cè)量?jī)x器相對(duì)來說比較緩慢，體積也大。

  同樣，從傳統(tǒng)上看，大功率激光器的直接功率測(cè)量是使用熱電堆檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)的。雖然該技術(shù)可以處理激光增材制造系統(tǒng)中的高平均激光功率，但是在零件制造期間，它在實(shí)現(xiàn)每個(gè)粉末層之間的在線監(jiān)測(cè)過程中則顯得太慢（一次測(cè)量通常需要幾秒鐘）。

  緊湊的波束束腰分析儀BWA-CAM（2.4×2.4×3.3in。）能夠提供幾乎瞬時(shí)的波束形狀、大小、焦距和功率測(cè)量，輕松契合大多數(shù)PBF系統(tǒng)的構(gòu)建平臺(tái)。（圖源：賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室） 

  現(xiàn)在，Haas Laser Technologies公司開發(fā)的一個(gè)新穎系統(tǒng)解決了這兩個(gè)問題。該系統(tǒng)可以為連續(xù)波（CW）和脈沖型大功率激光器提供非常快速的波束模式和功率測(cè)量。具體來說，他們的波束束腰分析儀（BWA-CAM）能在一個(gè)快速（<1s）的測(cè)量工藝中對(duì)包括光束腰位置、光束尺寸和光束質(zhì)量（M2）等在內(nèi)的大功率激光器的幾個(gè)激光參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。此外，該系統(tǒng)非常緊湊，并且易于使用和集成。 

  為了實(shí)現(xiàn)這一非常全面的測(cè)量，該器件采用了巧妙的光學(xué)裝置和布局（圖4），獲得了激光光斑的幾張同步、離焦圖像。進(jìn)入的聚焦光首先得到衰減，隨后被引導(dǎo)到相對(duì)于光軸方向傾斜的一對(duì)平行板位置。平面的兩個(gè)內(nèi)表面均涂有高反射涂層，使得每次反射時(shí)只有少量的光離開系統(tǒng)。該透射光在陣列檢測(cè)器上形成一連串斑點(diǎn)，每個(gè)斑點(diǎn)沿光軸方向，隨著距離的增加顯示出光束輪廓。可以調(diào)節(jié)該光學(xué)裝置，使得檢測(cè)器上相鄰點(diǎn)之間的增量代表沿光軸方向的間隔介于100μm到12mm之間。系統(tǒng)軟件對(duì)這一系列的光斑圖像進(jìn)行分析，以得到所有上述提到的波束模式和束腰位置參數(shù)。 

  最終，PBF工藝中的關(guān)鍵激光參數(shù)是粉末熔化精確點(diǎn)處的功率密度。一旦確定了光束尺寸，就可以使用相干的PowerMax-Pro功率檢測(cè)計(jì)在BWA-CAM內(nèi)直接測(cè)量激光功率（能夠計(jì)算功率密度）。這款于2014年被引入市場(chǎng)的功率檢測(cè)計(jì)采用了相對(duì)較新型的橫向熱電探測(cè)器技術(shù)，將熱電堆的寬波長(zhǎng)靈敏性、動(dòng)態(tài)范圍和抗激光損傷性與半導(dǎo)體光電二極管的響應(yīng)速度結(jié)合在一起。

  這種獨(dú)特的特征在這個(gè)應(yīng)用中是特別有益的。與在非常低的光照水平下飽和的光電二極管不同，檢測(cè)器可以在幾十微秒內(nèi)直接測(cè)量高激光功率。這最大限度地減少了在光束路徑中衰減光學(xué)元件的需要，這可能會(huì)成為導(dǎo)致測(cè)量絕對(duì)誤差的原因之一。此外，與光電二極管相反，該檢測(cè)器的響應(yīng)是高度線性的，并且整個(gè)功率測(cè)量系統(tǒng)（檢測(cè)器/電子元件/軟件）經(jīng)過校準(zhǔn)并且為NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所）可追蹤。因此，它提供高精度，絕對(duì)的激光功率讀數(shù)。為了優(yōu)化工藝參數(shù)或分析新合金開發(fā)中激光/材料之間精確的交互作用，這一點(diǎn)至關(guān)重要。 

  檢測(cè)器的高響應(yīng)速度也使其能夠直接觀察脈沖形狀，而不是簡(jiǎn)單地報(bào)告平均功率。這點(diǎn)很有用，因?yàn)槌练e質(zhì)量（例如，晶粒尺寸，抗拉強(qiáng)度等）取決于峰值功率、上升時(shí)間和其它脈沖參數(shù)。而且，即使使用連續(xù)波激光器，重要的是要知道激光器在通電時(shí)達(dá)到滿功率的速度究竟有多快。

  總而言之，LAM代表的是金屬制造技術(shù)領(lǐng)域跨出了革命性一步。但是為了發(fā)揮這一技術(shù)的最大效用和影響力，在加工成本、速度和產(chǎn)品質(zhì)量方面都需要進(jìn)行改進(jìn)。不斷開發(fā)出能夠在<1s的情況下提供光束束腰位置、光束尺寸以及功率密度信息的高速、緊湊且具成本效益的光束診斷工具將是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵因素。