以生產(chǎn)為導向的多激光器金屬3D打印設備通過多個激光器來提高增材制造的生產(chǎn)效率，多重激光既可以分別制造獨立的零件，也可以協(xié)同制造一個單件大型部件。這樣的靈活性，使得增材制造生產(chǎn)效率得到提升，并降低了制造成本。
但是多激光器在同時工作時會不會互相影響呢？激光之間的相互作用又對金屬3D打印零件的質(zhì)量產(chǎn)生什么影響呢？雷尼紹公司通過其四激光器金屬3D打印設備 RenAM 500Q 對多激光器之間的相互作用，以及如何合理規(guī)劃多激光器設備的激光策略進行了研究，從中可以得到一些啟示。
在9月28日，3D科學谷已分享了該研究的上半部分內(nèi)容。本期，3D科學谷將分享該研究的下半部分內(nèi)容。
熔池分析
研究人員也可以觀察到不一致熔化行為的證據(jù)。 在可見和紅外波長下的實時熔池監(jiān)測表明，在處于不利的下風向位置的激光熔融過程中，熔池活力和一致性會發(fā)生可測量的變化。 較短的可見波長表明強度的變化增加 ，而較長波長的紅外數(shù)據(jù)表明下風向熔池發(fā)出的熱量較少。
圖片來源：Renishaw
上圖為通過Renishaw 過程中質(zhì)量控制軟件InfiniAM監(jiān)控的熔池數(shù)據(jù)，顯示了在兩個不同光譜帶中的下風向樣品和上風向樣件的光譜熔池數(shù)據(jù)。
上風向激光器數(shù)量的影響
研究表明，上風向激光器的數(shù)量是決定下風向激光熔化質(zhì)量損失的關鍵因素。研究人員將兩個激光器的3D打印樣件拉伸試驗結(jié)果與四個激光器的結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)上風向單個激光器的過程排放量減少，因此預計對下風向激光器的影響會有所減少。
圖片來源：Renishaw
該試驗中下風向激光器打印的樣件的表面比先前測試的樣件更為光滑，并且表現(xiàn)出更接近基線條件的拉伸性質(zhì)。 處于下風向的樣件延展性仍受影響，但這些不足以將強度顯著降低。
圖片來源：Renishaw
在兩個激光器的3D打印試驗中，研究人員仍然觀察到下風向樣件斷裂表面存在一些缺陷，但是相比四個激光器試驗中的下風向樣件，其缺陷數(shù)量要少得多，在同樣的直徑范圍內(nèi)，該試驗結(jié)果是10個缺陷，而之前的試驗中觀察到的缺陷數(shù)量為100個。與四激光器試驗樣件相比，缺陷的尺寸也小得多，在本試驗中缺陷尺寸小于等于150微米，之前試驗中尺寸近500微米。
圖片來源：Renishaw
由于兩個激光器的3D打印的試驗中，下風向激光器仍會受到影響，因此仍應避免兩個熔池之間距離過大，但是在兩個激光器的情況下，熔池距離增加到100毫米。
打印層厚的影響
通常如果每個打印層的厚度較大，就需要使用較高功率的激光，進行更高的能量輸入，這將導致較大的熔池，也可能產(chǎn)生更多的飛濺。此外，較高的激光功率會產(chǎn)生更強烈的激光光斑，從而產(chǎn)生更強烈的蒸汽羽流和更多的冷凝物。如果從這一點上來推測，層厚較大時下風向打印樣件將受到更嚴重的影響。
然而，研究人員通過測試發(fā)現(xiàn)，厚度差別所產(chǎn)生的影響很小。在測試時，研究人員分別采用了30微米和60微米兩種層厚來打印 Inconel-718 樣件，但是兩種不同層后的經(jīng)過熱處理的Inconel-718樣件得到的測試結(jié)果非常相似（如下圖所示）。
圖片來源：Renishaw
可以看出，兩種不同層厚樣件的機械性能退化與熔池距離之間的關系非常接近。雖然其中每個數(shù)據(jù)點存在一些細節(jié)差異，一旦考慮了交互過程的隨機性質(zhì)，這些結(jié)果基本相同。
哪種因素影響最大？
在上述研究中，研究人員探討了影響下風向熔化質(zhì)量的三個因素，即：去聚焦、遮蔽和飛濺摻入。 前兩個因素通過空氣傳播的顆粒干擾下風向激光束，而第三個因素發(fā)生在粉末床表面。 那么，在這三個因素中，哪一個對下風向熔化質(zhì)量的影響最大呢？
為此，研究人員使用新的激光掃描策略進行了測試。在新測試中，激光器進行列陣列掃描，首先熔化最上風向的樣件，然后熔化處于下風向的樣件。這意味著下風向樣件不再受到前兩個因素的影響，但是仍然會受到第三個因素的影響。
圖片來源：Renishaw
在上圖中，最上方兩條曲線下風向打印樣件分別在3個上風向激光器和1個上風向激光器空氣傳播因素影響下的測試結(jié)果，最下方曲線為下風向打印樣件僅在表面飛濺因素（upwind then dowwind）影響下的測試結(jié)果。
在該試驗中，下風向樣件顯示出拉伸性能的降低非常小，并且它們的表面粗糙度也幾乎不受影響。上風向產(chǎn)生的碎片對熔化性能的影響很小。研究人員認為，這些結(jié)果也表明多激光之間相互發(fā)生作用的主要因素是去聚焦、遮蔽這樣的空氣傳播因素。
研究人員提示，該試驗是基于雷尼紹的多激光器3D打印設備RenAM 500Q 中進行的，不同的多激光器3D打印設備所發(fā)生的激光相互作用結(jié)果也將有所差異。
通過上述研究，研究人員已經(jīng)找到了多激光器3D打印設備中影響打印樣件質(zhì)量的因素，那么，應該如何將這些知識應用于多激光器設備的3D打印中呢？
-用多激光器設備批量生產(chǎn)多個零件
當零件陣列尺寸等于或大于激光器數(shù)量時，可以選擇為每個零件分配一個激光，并以“列”的方式進行打印，激光器向上風向移動。
-用多激光器設備生產(chǎn)單個大型零件
可以嘗試為每個激光器分配部件的水平區(qū)域來完全避免下風向處理，但這種方式的不足之處是，將在零件表面上有見證標記，并在區(qū)域邊界處零件經(jīng)過重新熔化。此外，采用這種激光策略時不太可能平等地使用所有的激光器，除非打印部件具有非常規(guī)則的形狀。
更好的策略是使用符合熔池距離規(guī)則的策略，在整個部件中使用所有四個激光器。這種方法確保所有四個激光器保持工作的時間大約相同，從而最小化每個層的加工時間。使用單個激光來處理每個邊界掃描是有意義的，這樣將避免表面不連續(xù)。激光器保持彼此靠近，與下風向熔池之間的距離保持最小。
總結(jié)
多激光器3D打印技術具有更高的生產(chǎn)效率，然而多個激光器之間會產(chǎn)生相互作用，這種相互作用與它們之間的距離相關，并且在某些情況下，這種相互作用會對3D打印的部件質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。了解發(fā)生相互作用的機制則有助于合理規(guī)劃多激光器3D打印設備的激光策略，以高效靈活的方式構建3D打印零件。 
