EOS白皮书 | 详解多激光金属3D打印面临的生产质量挑战与解决方案

3D打印技术步入批量生产阶段后，所有工艺类型都在面临全新挑战。为成功实现向批量生产的转变，提升系统的生产效率势在必行。为实现这一目标，金属增材制造技术的领导者EOS在新一代机器配备了更大的成型空间和多个激光器。

追求更短的成型时间、实现激光器的全幅面覆盖，以及平衡各激光器的曝光时间以充分发挥每台激光器的性能，这些需求为工艺开发带来了全新挑战。无论零部件在成型基板上的位置如何，或者使用哪一台激光器，确保零部件质量稳定可靠都是其中一个最重要的方面。四激光如此，八激光、十六激光等等均是如此。

EOS因此开展了多项研究，以提高成型空间平面上的零部件质量并确保质量一致性。在这样的背景下，该公司推出了一种新的曝光策略—激光中心依赖曝光策略（LCDS），旨在解决多激光增材制造技术中的挑战，实现生产效率与质量一致性的双重提升。

近日，EOS公司推出了《实现稳定、一致的零部件特性》白皮书（可通过扫描底部二维码获取），详细解释了多激光金属3D打印面临的质量挑战与解决之道。

多激光器金属3D打印，生产效率与一致性二选一，还是两者兼得？

• 激光偏转：3D打印的挑战

多激光系统在运行时可能会遇到技术挑战，如光学系统的协调运行、光束和功率的稳定性，以及不同零件的性能一致性，并且多激光器在同时工作时可能会相互影响，这种相互作用与它们之间的距离相关，可能会对3D打印部件的质量产生不利影响。

EOS M 300-4金属增材制造设备，专为批量生产而设计。它采用耦合设计的中心成型基板，追求更短的成型时间和激光器全面覆盖基板，同时平衡各激光器的曝光时间，以充分发挥每台激光器的性能。

EOS M 300-4 四激光金属增材制造设备

在多激光器增材制造设备中，激光偏转角度的增大导致了入射角更为平缓，从而影响了熔化行为和机械特性。为了检验偏转角对机械特性的影响，EOS设计了一种作业布局，垂直拉伸试棒围绕激光中心以同心圆方式排列。随着每个圆的周长逐步增加，偏转角也随之增大。

为避免飞溅物污染尚未曝光的区域，工艺人员启动了“流动优化”功能。因此，曝光图案的条纹是沿着与流动方向相反的方向处理的，从而避免了污染。

• 依赖位置的熔化行为

为了分析各激光器之间得差异，对不同基板位置的熔化行为进行了深入检查，揭示了激光中心位置对熔化材料体积的影响。测试结果显示，填充向量朝向激光中心时，可以添加更多的材料并减少飞溅。

• LCDS技术兼顾生产效率与一致性！

通常，工艺人员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飞溅。

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条纹。使得曝光图案能够根据位置进行相应调整。

这两条规则构成了 LCDS 的核心。工艺人员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缩写所代表的含义。

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

结论

在增材制造中，EOS充分利用了较大的成型区域，并且采用了具有全场覆盖的多激光器系统，使得扫描仪的使用范围得到了最大化的发挥。这就带来了一个挑战：即需要确保无论零部件位置或激光束偏转角度如何，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与激光束偏转角度之间存在依赖关系。经过详细研究后，EOS揭示了加工结果与曝光的填充和/或条纹方向之间的相关性。

基于这些发现，EOS开发了一种名为 LCDS 的新曝光策略，其曝光图案（填充/条纹）根据激光中心进行定向。初步实验成功地表明，采用 LCDS 策略可以在整个成型基板上实现稳定、一致的零部件特性。