光束诊断改善激光增材制造工艺

寂静回声

激光增材制造（Laser additive manufacturing，简称LAM）正迅速成为原型制造和金属部件生产的重要方法。然而，这项技术实际上还处于起步阶段，在新材料开发以及在了解各项工艺参数如何对结果产生影响等方面，还需要做很多工作。尤其需指出的是，通常情况下，激光增材制造方法对激光性能产生相对较小的工艺窗口，意味着激光光束和扫描参数的微小变化便会对最终的质量结果产生显著影响。
本文对提供最佳结果的激光光束所需要的特征做了研究，并且展示了一种新的光束监测技术如何在激光3D制造系统中实现快速测量。最终，这种技术将使光束问题在它们严重影响使用LAM生产的零件品质前便得到鉴别和纠正。
激光增材制造的基本原理
大多数传统的加工技术属于减材性质。也就是说，它们选择性地从基材上去除材料以打造出所需的形状。然而，增材制造手段的工作方式与其相反，它是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。粉床熔融（PBF）——这一作为生产成品部件的主要的LAM技术，从本质上看是使用金属粉末和激光源进行熔化的一种金属3D打印技术。
在PBF工艺中，一层厚度约20-60μm的金属粉末首先使用涂刷刀片被均匀铺展在构建底板上，构建底板是指可以垂直移动的平台。然后，激光对粉末进行扫描，以选择性地熔化并以其所需的图案将其重新固化。一道粉末层完成后，粉床的厚度被降低一定的数量，相当于粉末层的厚度，并且在其上面铺展新的粉末层。激光写入该粉末层，并重复该过程直至完成。最后，去除剩下的未熔化的粉末以展现出成品（图1）。

图1：粉床熔融（PBF）技术的基本步骤
PBF工艺通常在200-500W功率范围内采用近红外（NIR）掺镱光纤激光器。它们以二维（x和y）形式扫描，并用高质量的f-theta扫描透镜进行聚焦，以实现100μm范围内的光斑尺寸。这种功率和光斑尺寸的结合有利于产生足够的能量来快速熔化金属粉末。事实上，重要的是确保功率密度在切割或钻孔构建板时不会太高，或不会穿透金属粉末太深。最理想的情况是：激光器应完全融化新的粉末层和前一道粉末层中的少量部分，以完全融合两者，并在整个部件上实现均匀的材料性能。
当前的激光增材制造应用
聚合物材料在3D打印方面的灵活性和速度使其成为工程和原型设计中广泛使用的工具。
PBF在使用金属加工以及在为成品零部件提供强大的机械性能方面的能力使这种技术成为各行各业（包括航空航天、牙医、赛车，甚至珠宝）制造实际生产零件的实用技术。
具体来说，PBF在生产采用其他方法成本高昂，以及机械复杂的高价值的关键部件的应用中最为有效。实例包括具有复杂曲线的形状，以及内孔和通道等（图2）。

图2：PBF 工艺生产的传感器支架具有旨在优化力学稳定性的复杂形状，因此使用传统的制造方法难以实现这些性能。
PBF工艺的一个突出例子是GE航空集团生产用于Leap喷气发动机的燃油喷嘴。据GE航空表示，这个独立部件创建了内部支撑结构和冷却通道 - 取代了由18个独立部件组成的机加工组件。采用激光增材制造技术打造的零件，与机加工生产的产品相比，其重量减少25%，而耐久性高出约5倍。由于每个Leap喷气发动机都含有这些喷嘴中的19个组件，因此重量减轻会显著降低燃料的用量。
技术挑战
尽管市面上已经有许多先进的PBF交钥匙系统，但是这些系统并不能为某些应用提供获得成功所需的过程控制水平。例如，在制造过程中存在各种与可能造成淀积工艺困难或导致最终产品出现不理想的应力特性息息相关的零部件定向方面的考量因素。因而采用当前的商用型PBF系统无法完全解决这些问题。
此外，商用型激光增材制造系统也面临着与材料成本相关的挑战。例如，尽管这些系统能够加工各种粉末类型，包括铝、钴、钛、不锈钢和镍合金，但每种都需要不同的沉积参数。在许多情况下，这些是机器供应商专有的，通常必须以10,000-20,000美元的价格单独购买。而且，由于它们被直接下载到机器中，用户仍可能无法获取和使用针对其特定需求用于优化或修改工艺流程所需的所有参数。
就材料方面来说，需注意的是目前使用的粉末基本上都是为传统的锻炼金属制造技术开发的合金（其通常涉及熔融、成形和随后的热加工等多个步骤）。当在激光增材制造过程中迅速熔化和重新固化时，它们也不会产生所需的相同的物理性质（例如抗拉强度）。因此，一个重要的研究领域是开发出能够在应用激光增材制造技术时提供物理特性得到改善的新型材料。事实上，这对扩大该技术的效用至关重要。
基于这些因素，有许多研究团队和最终用户希望能修改现有的系统或构建他们自己的LAM系统，从而使其能够完全对每个工艺参数进行调研和控制，这将有助于结果的改进。
光束计量需求
虽然大多数激光增材制造系统软件中指定的工艺参数超过100个，但一些最关键的工艺参数（操作者几乎无法控制）与聚焦激光束的功率、形状和尺寸有关，这些最终会决定创建特征的尺寸以及材料的物理特性。鉴于此，光束计量对于该过程而言就变得特别重要。
有几个因素会造成光束变化。首先，激光输出中可能存在固有的功率漂移。其次，PBF工艺中使用的输出功率水平足以在光束传输光学器件中引起热透镜效应，这可能会改变光束束腰位置以及导致光斑形状变形。此外，由于光束在宽视野下被扫描，所以在扫描场的边缘位置，光斑形状通常被拉长。
这些考量点直接导致在PBF系统内测量激光功率、光斑尺寸、模式细节以及光束束腰位置的需求。需指出的是，非常有必要在最终的F-theta扫描透镜之后获得这些测量值，而不是在光学系统中的某个中间点位获得这些值，从而使光束能够及早“相遇”这些可能对其产生影响的所有因素。此外，最终需要开发一种快速测量方法，以便可以在每层的写入周期之间测量功率密度和光束束腰位置，而不会显著减缓沉积速度。这将对激光飞行加工模式下的激光输出做出必要的更正。
创新的光束计量解决方案
遗憾的是，用于测量激光模式、光束束腰位置和激光功率的传统技术在本应用中的使用受到限制。具体来说，激光模式测量仪器一般是通过在离目标源较远位置的激光束上依次扫描狭缝或孔径来进行操作。这样可以获得传播特征（模式）的全息图像，并确定精准的光束束腰位置。然而，这种测量仪器相对来说比较缓慢，体积也大。
同样，从传统上看，大功率激光器的直接功率测量是使用热电堆检测器实现的。虽然该技术可以处理激光增材制造系统中的高平均激光功率，但是在零件制造期间，它在实现每个粉末层之间的在线监测过程中则显得太慢（一次测量通常需要几秒钟）。

图3：紧凑的波束束腰分析仪BWA-CAM（2.4×2.4×3.3in。）能够提供几乎瞬时的波束形状、大小、焦距和功率测量，轻松契合大多数PBF系统的构建平台。（图源：宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室）
现在，Haas Laser Technologies公司开发的一个新颖系统解决了这两个问题。该系统可以为连续波（CW）和脉冲型大功率激光器提供非常快速的波束模式和功率测量。具体来说，他们的波束束腰分析仪（BWA-CAM）能在一个快速（<1s）的测量工艺中对包括光束腰位置、光束尺寸和光束质量（M2）等在内的大功率激光器的几个激光参数进行测量。此外，该系统非常紧凑，并且易于使用和集成（图3）。
为了实现这一非常全面的测量，该器件采用了巧妙的光学装置和布局（图4），获得了激光光斑的几张同步、离焦图像。进入的聚焦光首先得到衰减，随后被引导到相对于光轴方向倾斜的一对平行板位置。平面的两个内表面均涂有高反射涂层，使得每次反射时只有少量的光离开系统。该透射光在阵列检测器上形成一连串斑点，每个斑点沿光轴方向，随着距离的增加显示出光束轮廓。可以调节该光学装置，使得检测器上相邻点之间的增量代表沿光轴方向的间隔介于100μm到12mm之间。系统软件对这一系列的光斑图像进行分析，以得到所有上述提到的波束模式和束腰位置参数。

图4： 在BWACAM中使用的光学布置的简化示意图， 以沿着光轴在多个位置同时成像光束。
最终，PBF工艺中的关键激光参数是粉末熔化精确点处的功率密度。一旦确定了光束尺寸，就可以使用相干的PowerMax-Pro功率检测计在BWA-CAM内直接测量激光功率（能够计算功率密度）。这款于2014年被引入市场的功率检测计采用了相对较新型的横向热电探测器技术，将热电堆的宽波长灵敏性、动态范围和抗激光损伤性与半导体光电二极管的响应速度结合在一起。
这种独特的特征在这个应用中是特别有益的。与在非常低的光照水平下饱和的光电二极管不同，检测器可以在几十微秒内直接测量高激光功率。这最大限度地减少了在光束路径中衰减光学元件的需要，这可能会成为导致测量绝对误差的原因之一。此外，与光电二极管相反，该检测器的响应是高度线性的，并且整个功率测量系统（检测器/电子元件/软件）经过校准并且为NIST（美国国家标准研究所）可追踪。因此，它提供高精度，绝对的激光功率读数。为了优化工艺参数或分析新合金开发中激光/材料之间精确的交互作用，这一点至关重要。
检测器的高响应速度也使其能够直接观察脉冲形状，而不是简单地报告平均功率。这点很有用，因为沉积质量（例如，晶粒尺寸，抗拉强度等）取决于峰值功率、上升时间和其它脉冲参数。而且，即使使用连续波激光器，重要的是要知道激光器在通电时达到满功率的速度究竟有多快。
总而言之，LAM代表的是金属制造技术领域跨出了革命性一步。但是为了发挥这一技术的最大效用和影响力，在加工成本、速度和产品质量方面都需要进行改进。不断开发出能够在<1s的情况下提供光束束腰位置、光束尺寸以及功率密度信息的高速、紧凑且具成本效益的光束诊断工具将是实现这些目标的关键因素。