最初是兩臺激光器,然后增加到四臺,再到八臺,緊接著是10臺和12臺?,F(xiàn)在,已經(jīng)可以看到64臺激光器的身影了。 作者:Laura Griffiths
來源:TCT MAGAZINE
翻譯:資源庫
在過去的五年中,金屬增材制造(AM)系統(tǒng)中的激光器數(shù)量不斷增加,這不僅成為行業(yè)熱議的焦點,也被視為粉末床技術進步的象征。然而,除了生產(chǎn)效率的提升和更大的構(gòu)建體積外,這些系統(tǒng)的復雜性也在顯著增加。每增加一臺激光器或每擴展一毫米的構(gòu)建體積,都會為本已復雜的工藝參數(shù)設置和車間空間管理帶來更多挑戰(zhàn)。
尼康SLM Solutions是最早推出多激光系統(tǒng)的公司之一。十多年前,該公司發(fā)布了其雙激光器SLM 280系統(tǒng)。如今,SLM 280已發(fā)展到第三代——SLM 280 PS,并被奧迪和布加迪等汽車制造商廣泛采用。然而,正如增材制造技術的發(fā)展一樣,市場的接受速度并沒有跟上技術的進步步伐。
尼康SLM Solutions的產(chǎn)品營銷經(jīng)理本杰明·哈斯(Benjamin Haas)表示:“市場曾經(jīng)對多激光系統(tǒng)的零件質(zhì)量存有疑慮,即便用戶已經(jīng)掌握了多個激光器在同一工作空間內(nèi)的操作方法。但是,一旦市場接受了這一點,增材制造的應用規(guī)模就逐漸擴大了,這也意味著為了提高生產(chǎn)效率,必須增加更多激光器?!?br />
目前,尼康SLM Solutions的旗艦機型是NXG XII 600,這是一款配備12臺激光器、構(gòu)建體積為600 x 600 x 600毫米的選擇性激光熔化系統(tǒng),總激光功率高達12千瓦。該設備已被Divergent Technologies和GKN Aerospace等企業(yè)采用,并且多家用戶一次性安裝了多臺NXG XII 600。公司認為,成功的關鍵在于對生產(chǎn)力的理解不僅僅停留在提升激光功率上。
哈斯解釋道:“我們始終從整體生產(chǎn)力的角度考慮,從構(gòu)建任務的啟動到完成,以及設備的周轉(zhuǎn)時間。在SLM 500上,我們首次引入了可拆卸的構(gòu)建缸,使得兩次任務之間的時間縮短到不到一小時。設計NXG時,我們顯然延續(xù)了這一理念。試想一下,這么大一臺機器在你清理工作時處于閑置狀態(tài),效率損失會非常巨大!”
激光越多,問題越多?
在金屬增材制造中,全面考慮構(gòu)建過程的每個環(huán)節(jié)是關鍵。對于打算構(gòu)建大型零件或同時生產(chǎn)多個零件的用戶來說,大型設備顯然具有吸引力。然而,如何存儲材料、移除構(gòu)建零件,以及維護和保養(yǎng)設備等一系列問題,都是金屬增材制造專家SJ Jones在評估新型多激光技術時必須考慮的核心因素。
Jones坦言:“老實說,多激光技術讓我很頭疼。如何對其進行認證?如何確保多臺激光器的精度一致?如果其中一臺激光器出現(xiàn)故障,其他激光器能否順利替代?相比于增加更多激光器,我更傾向于升級現(xiàn)有平臺,提高它的可靠性和能力?!?br />
根據(jù)英國制造技術中心(MTC)發(fā)布的報告,激光器在多激光系統(tǒng)中的相互作用是最大的技術挑戰(zhàn)之一。如果不能有效優(yōu)化激光器之間的“拼接”過程,可能會帶來更多制造缺陷。MTC增材制造高級研究工程師Alex Hardaker表示:“用戶需要特別關注多個激光器之間的相互作用。不僅是激光器在單個零件上同時工作時的拼接問題,還要考慮氣流是否會將一個熔池產(chǎn)生的煙霧或飛濺物帶到另一個激光器區(qū)域?!边@些因素及其對零件質(zhì)量的影響都必須在認證過程中加以考慮,這也增加了測試的復雜性。此外,還需考慮多激光系統(tǒng)中校準漂移對設備長期運行的影響,并據(jù)此制定合理的校準周期,以確保零件的一致性。
Jones進一步指出:“實際上,我們正在面對的是一個物理學難題。你只能注入有限的熱量和能量,熔池的形成、粉末的物理特性等諸多因素都需要考慮。因此,關鍵不僅在于激光器的數(shù)量,還在于激光器的布局方式——你是選擇矩形布局還是圓形布局?如何清潔激光窗口?激光器打在粉末床上的角度也有優(yōu)劣之分,這么小的腔體內(nèi)有太多的物理學問題需要解決!”
相比激光器的數(shù)量,Jones和Hardaker更關注如光束成形和掃描策略等漸進式的技術進步。他們指出,EOS與nLight的合作通過引入互補的激光技術,允許用戶使用不同的光束輪廓來提升生產(chǎn)率。類似的漸進式創(chuàng)新也在去年由雷尼紹Renishaw實施,該公司放棄了追求多激光器的潮流,推出了一項名為TEMPUS的專利技術。這項新掃描算法允許RenAM 500系統(tǒng)中的激光器在粉末涂布器移動時繼續(xù)工作,大幅提升了生產(chǎn)效率。
這表明,盡管多激光系統(tǒng)的發(fā)展代表了金屬增材制造領域的一項重要進步,但解決其復雜性和實現(xiàn)更加穩(wěn)定、可靠的操作仍然需要更多的漸進式創(chuàng)新與優(yōu)化。
單激光器依然有市場
推動多激光器需求的主要動力源自航空航天領域。Collins Aerospace在投資了第一臺SLM Solutions NXG XII 600兩年后,又購買了第二臺設備;而為航空航天和國防行業(yè)提供金屬增材制造服務的佛羅里達公司Sintavia,今年也宣布了自2019年以來最大規(guī)模的設備投資,其中包括第二臺NXG XII 600和第三臺AMCM M4K-4系統(tǒng)。
此外,Sintavia還成為了北美首個AMCM M8K-K的客戶,這臺設備配備8臺激光器,構(gòu)建體積高達800 x 800 x 1200毫米。Sintavia的CEO Brian Neff曾表示:“那些認為增材制造沒有規(guī)模效應的人,肯定是沒有使用過足夠大的設備?!比欢缒峥礢LM Solutions的本杰明·哈斯(Benjamin Haas)解釋的那樣,更多的激光器并不一定意味著更低的單件成本、更高的生產(chǎn)效率或相同的零件質(zhì)量。
哈斯指出:“首先,最重要的問題是:我究竟需要多少臺激光器?每臺激光器的類型和功率是什么,才能滿足我的具體應用需求?其次,還有很多技術邊界條件,比如:如何合理使用激光器,以避免不必要的停機或激光器之間的相互干擾?如果多臺激光器同時運行,保持腔體內(nèi)的潔凈氣氛至關重要,因此在整個構(gòu)建過程中,確保氣流質(zhì)量對零件質(zhì)量非常關鍵。最終,設備的好壞取決于工藝控制,因此我們的材料參數(shù)是確保系統(tǒng)能夠兌現(xiàn)承諾的核心。”
去年訪問GE航空航天的增材技術中心時,制造支持主管Chris Philp透露了GE航空航天如何根據(jù)具體應用選擇單激光或多激光系統(tǒng)。對于某些已經(jīng)在單激光平臺上驗證的大型零件,添加更多激光器并不總是必要的。然而,GE航空航天通過其四激光Concept Laser M Line系統(tǒng),正在探索如何將原本使用單激光機開發(fā)的零件轉(zhuǎn)移到四激光系統(tǒng)上。通過這一方法,構(gòu)建時間從一個月縮短到了兩周,同時不影響零件的質(zhì)量。Philp表示,這些四激光系統(tǒng)對未來的增長和效率至關重要,“否則我們要建多個工廠,而不是一個?!?br />
Hardaker補充道:“首先,我們需要看看這些新型機器生產(chǎn)的產(chǎn)品,與那些使用單激光陰極激光的小型設備相比表現(xiàn)如何。這些機器的制造條件和環(huán)境基本一致。在我們擴大生產(chǎn)規(guī)模、制造更大型的零部件之前,了解設備的基本原理至關重要?!?br />
Additive Industries已經(jīng)認識到“少即是多”的重要性。這家荷蘭制造商在2020年推出了自家的10激光3D打印機,最近該公司表示,暫時決定“擱置 MetalFAB600的推出”。公司目前優(yōu)先開發(fā)其420 x 420毫米的系統(tǒng)和全新的MetalFab 300 Flex,并通過雙激光或500瓦激光配置,減少增材制造的準入門檻。公司表示:“我們認識到,市場的主要需求集中在中型(200-350 毫米)和大型(350-600 毫米)系統(tǒng)類別,因此我們正在調(diào)整研發(fā)投資方向,以滿足這一需求?!?br />
在Additive Insight播客的一期節(jié)目中,Additive Industries的印刷流程架構(gòu)師Sandra Poelsma討論了如何將機器開發(fā)與終端用戶需求相匹配。
Poelsma表示:“我個人總是會問‘為什么?’為什么要增加更多的激光?為什么要擴大構(gòu)建平臺?更大的構(gòu)建平臺確實可以讓客戶生產(chǎn)更大的部件 [...] 但為了覆蓋整個構(gòu)建區(qū)域,需要增加更多的激光器。[...] 我認為,激光器之間的排列是一個巨大的挑戰(zhàn),確保所有激光器能夠同步工作更是一個難點。但我質(zhì)疑,這真的能為客戶帶來預期的價值嗎?增材制造技術是否真能有效解決這些技術障礙?” 在激光器數(shù)量的競爭中,增材制造行業(yè)的競爭似乎更多是在與自身競爭,而不是與傳統(tǒng)制造方式競爭。然而,除了增加激光器以外,還有其他硬件改進領域,可能會顯著提升終端用戶的生產(chǎn)效率。
64激光器及未來展望
今年早些時候,易加三維在TCT亞洲展上發(fā)布了其全新EP-M2050系統(tǒng),進一步確立了其在多激光金屬增材制造技術領域的領先地位。該系統(tǒng)初始配置36臺激光器,并可擴展至49臺或64臺,最大構(gòu)建體積達2050x2050x1100mm,且Z軸高度可擴展至2000mm。隨著近年來激光器數(shù)量的不斷增加,鉑力特和華曙高科等行業(yè)領導者也迅速跟進,通過增加激光器數(shù)量,滿足大型零部件打印需求,同時提高生產(chǎn)效率。
根據(jù)CONTEXT最新市場報告,中國工業(yè)級金屬粉末床熔融系統(tǒng)的出貨量增長了45%,全球前五大供應商中有四家總部位于中國。其中,易加三維的出貨量在這一時期位居工業(yè)領域榜首,而尼康旗下的SLM Solutions則在大尺寸多激光系統(tǒng)方面表現(xiàn)出色。盡管多激光系統(tǒng)的出貨量令人矚目,但易加三維也指出,高密度激光配置帶來的技術復雜性仍是一個挑戰(zhàn)。為應對這一問題,EP-M2050系統(tǒng)采用標準的6x6激光矩陣和36個振鏡,確保激光器之間的同步工作。而在64激光器配置中,系統(tǒng)則采用8x8激光矩陣和64個振鏡,以保障大規(guī)模打印操作的穩(wěn)定性。
易加三維國際業(yè)務部總經(jīng)理李玥(Mary Li)表示:“隨著技術的進步,多激光集成的可行性不斷提升,包括激光功率增強、光學性能優(yōu)化以及算法的突破。這些技術進步主要得益于航空航天、汽車和醫(yī)療領域?qū)Υ笮蛷碗s零部件增材制造需求的不斷增加。解決激光干擾和不穩(wěn)定性等技術難題至關重要,而創(chuàng)新的解決方案和工藝優(yōu)化則是關鍵。同時,降低生產(chǎn)成本的關鍵在于提升生產(chǎn)規(guī)模、推動技術進步并減少制造成本?!?br />
隨著激光器數(shù)量的增加,系統(tǒng)操作的復雜性也同步上升。李玥指出,必須密切關注激光器的同步性、能量分配及冷卻等關鍵因素。對于用戶而言,在考慮增加更多激光器的投資時,需仔細權(quán)衡初始投資與運營成本的上升,并通過投資回報率(ROI)分析,評估生產(chǎn)力提升的實際成本效益。為了幫助用戶應對這些挑戰(zhàn),易加三維正在開發(fā)定制化機器,允許用戶根據(jù)自身需求選擇適當?shù)募す馄鲾?shù)量和構(gòu)建尺寸。公司表示,這些設備將被設計為操作簡便、易于維護,從而減少多激光系統(tǒng)的學習曲線,并簡化日常維護流程。
展望未來,李玥認為,超過64臺激光器的系統(tǒng)將在不久的將來面世,這將為金屬增材制造技術開啟一個全新的時代,推動系統(tǒng)在效率、質(zhì)量和成本上的全面提升。她建議用戶提前評估設備的可擴展性,以適應未來更加多樣化的材料、幾何形狀和生產(chǎn)需求。
她補充道:“配備更多激光器的設備推出時間,將取決于技術進展和市場需求的變化。與此同時,我們必須預見可能遇到的技術挑戰(zhàn),積極尋求解決方案,以推動金屬增材制造行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。”
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