EOS-2024实现稳定、一致的零部件特性白皮书-2024.07-16正式版

⽩⽪书作者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？⽬录多激光器系统：⽣产效率与⼀致性⼆选⼀？还是两者兼得？34激光偏转：3D打印的挑战7依赖位置的熔化⾏为12LCDS兼顾⽣产效率与⼀致性！结论与应⽤前景联系⽅式1416插图⽬录34图1图2图3EOS最新的⾦属系统，EOSM300-4EOSM300-4的激光扫描仪排布45使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作业的实验环境图4图5图6作业布局描述和断裂伸⻓率结果（制造状态，未经热处理）左侧是作业布局，右侧是样品显微照⽚的⼀部分677使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作业的实验环境图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89图9析填充包的⽅法图10图11图12图13不同平均横截⾯积结果的⽐较11激光中⼼依赖曝光策略LCDS的理论12激光器3：不同曝光策略的孔隙率⽐较13填充和条纹⽅向的横截⾯图10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⼀的夹具系统也使后处理⼯作更加简在必⾏。为实现这⼀⽬标，我们的新⼀便。与此同时，四激光器设计有助于最代机器配备了更⼤的成型空间和多个激⼤限度地提⾼⽣产率。每个激光器均可光器。覆盖整个成型区域。因此，不论负载系数或零部件定位如何，激光器都能发挥EOS⾦属系统产品最⼤性能。EOSM300-4（图1）‒专为批量⽣产⽽打造。中⼼成型基板采⽤耦合设计，可以充分利⽤整个300x300mm²成型基板⾯积进⾏零部件定位，此外，统组合中的旗舰机型‒图1：EOS最新的⾦属系统，EOSM300-4。追求更短的成型时间覆盖板，以及平衡各激光器的曝光时型空间x-y平⾯上的零部件质量并确保以充分发挥每台激光器的性能，这些质量⼀致性。我们开发了⼀种⽤于需求为⼯艺开发带来了全新挑战。⽆论DMLS®技术的新曝光策略LCDS，下⽂零部件在成型基板上的位置如何，或者将对其进⾏详细介绍。使⽤哪⼀台激光器，确保零部件质量稳定可靠都是其中⼀个最重要的⽅⾯、实现激光器全⾯因此，我们开展了多项研究，以提⾼成基间。3激光偏转：3D打印的挑战图2展⽰了EOSM300-4的光学排列。它可以划分为四个象限，每个象限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L3L2的中⼼均与四个扫描器正交投L4L1了成型基板的实际⼤⼩。扫描仪覆盖范围：450mm这种设置带来了⼯作区域更⼤的挑战，图2：EOSM300-4的激光扫描仪排布。因此激光的偏转⻆度更⼤，也就是说，激光器L1的潜在范围以虚线表⽰。⼊射⻆更为平缓。EOSMaragingSteelMS150µmwithFlowOptimizationMaterialProcessEOSM300-4System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。光图案的条纹是沿着与流动⽅向相反的随着每个圆的周⻓逐步增加，偏转⻆也⽅向处理的，从⽽避免了污染。激光器随之增⼤。1和3分别对这项作业（图4）进⾏了重复。为避免⻜溅物污染尚未曝光的区域，我们启动了“流动优化”功能。因此，曝4为确定偏转的影响⽽进⾏的测试作业表明，随着与激光中⼼距离的增加，激光器1样品的机械特性基本保持稳定。然光中⼼距离的增加⽽减少，从⽽降低了⽽，激光器3的拉伸试棒显⽰其抗拉强统计确定性，但我们仍能看出⼀个明显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趋势。断裂伸⻓率A25与距离因⼦激光器1激光器3L3FlowOptimizationFlow012345678910L1DistanceFactor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）。5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率。如图5所⽰，激光器3⽣成的零部件密度显著降低。⾮球形孔洞表明，由于存在未熔合孔隙⽽产⽣了缺陷。成型基板位置：激光中⼼(L)最⼤距离激光器1L3L11mm1mm激光中⼼最⼤距离激光器31mm1mm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。6依赖位置的熔化⾏为EOSMaragingSteelMS150µmMaterialProcessEOSM300-4System图6：使⽤EOSM300-4、EOSMaragingSteelMS1和50µm⼯艺打印测试作业的实验环境。为了分析激光器1和3之间们对不同板位置的熔化⾏为进⾏了深块。在每个试验块的顶部，⼀组代表曝⼊检查。测试系列的部分结果将在下⼀光图案的填充包将熔化在最后⼀层。将节中进⾏展⽰。填充（扫描向量）旋转45度，以检查不同填充和条纹⽅向组合的效果。单向的差异，我每个区域包含16个充当基底的试验基我们预计在填充级别（即单个扫描⽮量）的研究中，会发现⼯艺中存在的偏差（⻅图6中的实验环境）。为获得具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B（交替填充）的布局在图7中展⽰。有空间分辨性的测试结果，EOSM300-4成型基板被划分为16个区域，作业A：单向填充作业B：交替填充成型基板图7：展⽰作业A和作业B，橙⾊箭头标⽰条纹⽅向。7填充包的视觉评估图8⽐较了激光器1和3等距场域中填其他样品区域中穿插着蓝⾊部分。表⾯质量会根应图⽚。如图所⽰，表⾯据成型基板上的位置以及所分配的激光充和条纹⽅向的不同组合呈现出截然不器⽽有所差异。外观不均匀的区域也会的特征。⼀些表⾯起来⾮常均匀并导致⼯艺过程中出现“污染”。沉积在显⽰出连续的红⾊区域，这表明熔化区零部件表⾯附件的材料已⽆法再熔化。域⾼度⼀致且⼗分均匀。的表⾯外观较为不规则，红⾊充包的⾼度剖⾯，以及曝光后拍摄的相图形会根据填同看激光器1激光器3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。8确定最终材料的体积在下⼀步中，我们将通过测量数据来进⼀步证实这些初步的视觉印象。为了测量每个填充-条纹组合的体积增加情况，我们将进⾏3D⾼度剖⾯们可以通过填充包上的多条轮廓线来确定横截⾯积（⻅图9）。扫描。我yx填充包zBasexIntegralCrossCutarea[mm]2ZXx[mm]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。9如图10所⽰，我们分别针对作业A（单向剖⾯线）和B（交替剖⾯线），绘制了激光器1和3的横截⾯积随条纹填充⽅法的性能时，我们发现，如果所和填充⽅向的变化。x轴按照填充和条有填充都指向同⼀⽅向，并且配合理想纹是远离还是朝向激光中⼼进⾏了划的曝光⽅法，可以熔化更多的材料。总分。在下图中，远离激光中⼼的条纹⽅之，两种激光器表现出相似的⾏为。向通常与较⼤的材料堆积量有关。同时，调整填充⽅向，使其朝向激光中⼼也是⼗分有益的。在⽐较交替和单向激光器1激光器3⾸选⽅向不利⽅向单向填充作业A交替填充作业B1,41,21,00,80,60,40,21,41,21,00,80,60,40,2awayawaytowardsawaytowardsawaytowards填充⽅向条纹⽅向条纹⽅向towards图10：不同填充和条纹⽅向的横截⾯图。10⾸选⽅向不利⽅向1,41,21,00,80,60,40,212345678910DistanceFactor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。11LCDS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和激光条纹。使得曝光图案能够根据位置器3时，流动⽅向在熔化材料体积⽅⾯进⾏相应调整。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（图这两条规则构成了LCDS的核⼼。我们12）：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作为指导准则，这就是LCDS缩写所代2.在条纹⽅向上，情况似乎恰恰相反：应该优先选择远离激光中⼼的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少材料喷射。表的含义：激光中⼼依赖曝光策略LCDESLaserCenter填充向量朝向激光中⼼HatchDirectionLaserCenter条纹远离激光中⼼StripeDirection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。初步测试已经成功验证了LCDS。图13展⽰了使⽤LCDS与标准曝光⽅法相⽐所能达到的孔隙率结果。12BoxplotofDefect-%[%]成型基板0,250,200,150,100,05L3ReferenceLCDS:LCDS:onlyStripesStripesandHatches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）在成型基了不同的曝光策略来布置和⽣成致密性可能从这种曝光图案中受益。但显试验块：参考基准（“流动优化”）、仅然，具有⼤型平台尺⼨和激光扫描于条纹的LCDS以及基于条纹和填充覆盖范围的系统获益最⼤。的LCDS。在此设置中，所有零部件均由激光器3处理。板的16个位置上，我们采⽤向的依赖性。因此，每台机器都有基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中的箱形图表明，使⽤LCDS可以降低孔数据差异性较低表明，⽆论成型基板位置如何，零部件特性均保持⼀致。⽅法以实现改善整，我们已经能够获得更为出⾊的效果。。通过选择条纹调减少材料喷射：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化。除了⼀致性之外，LCDS还有其他优势：不受机器影响：使⽤LCDS的优势提⾼表⾯平整度：我们可以专⻔采并不局限于特定的机器类型或制造⽤能够产⽣最低表⾯粗糙度的填充商。如图所⽰，即使是短距离场和条纹⽅向，以实现上⽪照射。景，也已经显⽰出对条纹和填充⽅13结论与应⽤前景在增材制造中，我们充分利⽤了较⼤的基于这些发现，我们开发了⼀种名为LCDS的新曝光策略，其曝光图多激光器系统，使得扫描仪的使⽤范围案（填充/条纹）根据激光中⼼进⾏得到了最⼤化的发挥。这就带来了⼀个定向。初步实验成功地表明，采⽤挑战：即我们需要LCDS策略可以在整个成型基板上成型区域，并且采⽤了具有全场覆盖的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，我们很快与激光束偏转⻆度之间经过详细研究后，我们揭⽰了加⼯结果书。敬请期待更多资讯！与曝光的填充和/或条纹⽅向之间的相存在依赖关系。将发布另⼀份关于此主题的⽩⽪关性。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。14作者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，他是⼯艺开发团队的⼀员。他和SarahBrandt共同撰写研发部⾦属了本⽩⽪书。联系⽅式：MetalProcessTechn