在近期結(jié)束的TCT 3D打印展會期間，國內(nèi)各大增材制造設(shè)備廠商紛紛推出了超大尺寸、超多光束的激光選區(qū)熔化裝備，最大幅面超過1500×1500mm，最大高度達(dá)到2000mm，配備10光、16光甚至26、36光束，更大尺寸、更多光束似乎成為了激光選區(qū)熔化3D打印設(shè)備發(fā)展的主流方向。

這類設(shè)備的應(yīng)用場景有哪些？應(yīng)用前景如何，問題有哪些？3D打印技術(shù)參考邀請了北京動力機(jī)械研究所增材制造中心馬瑞主任對此進(jìn)行分析。文章將以幅面1500×1500×1500mm、25光束的設(shè)備，打印高度1500mm的高溫合金產(chǎn)品為例進(jìn)行測算。

作者介紹：馬瑞，北京動力機(jī)械研究所增材中心主任，擔(dān)任中國航天科工集團(tuán)某項(xiàng)目常務(wù)副總師、某科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人、中國機(jī)械工程協(xié)會增材制造技術(shù)分會委員，獲國防科技進(jìn)步二等獎兩項(xiàng)。文章內(nèi)容已經(jīng)保密審批，授權(quán)發(fā)布。

設(shè)備端

1. 多光拼接區(qū)域超過40處，是4光設(shè)備的10倍

光束數(shù)量的增加意味著拼接區(qū)數(shù)量的增加，以矩形布局進(jìn)行測算，4光拼接區(qū)域4處，9光12處，16光24處，25光則達(dá)到了40處，是4光的10倍。而拼接質(zhì)量與振鏡長時間工作的溫飄、機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等諸多因素相關(guān)，拼接區(qū)域越多，保證拼接質(zhì)量的難度越大，產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題的風(fēng)險越高。

2. 風(fēng)場跨度達(dá)到1500mm，遠(yuǎn)超當(dāng)前較為成熟的600mm

當(dāng)前主流的大幅面打印設(shè)備中，EOS M400-4等采用中間入風(fēng)、兩側(cè)出風(fēng)的風(fēng)場模式外，多數(shù)設(shè)備均采用一側(cè)入風(fēng)、一側(cè)出風(fēng)的“穿堂風(fēng)”風(fēng)場模式。在“穿堂風(fēng)”風(fēng)場模式下，風(fēng)場跨度較小時，還能較好的保證全幅面的風(fēng)場質(zhì)量；當(dāng)風(fēng)場跨度較大、超過800mm后，出風(fēng)口部位的風(fēng)速很低，無法有效帶走打印過程產(chǎn)生的黑渣。如果進(jìn)一步增加風(fēng)機(jī)風(fēng)速，有可能造成入風(fēng)口風(fēng)速過大影響粉床鋪粉質(zhì)量的問題。當(dāng)風(fēng)場跨度達(dá)到1500mm時，這個問題就更加明顯。

Slm Solutions打印機(jī)風(fēng)場

“穿堂風(fēng)”風(fēng)場示意圖，入口和出口風(fēng)速不一致

打印過程中零件表面留下的黑渣

3. Z軸需保證從3.5噸負(fù)載到20噸以上負(fù)載長時間穩(wěn)定工作

對于幅面超過1500×1500mm的設(shè)備，200mm厚的不銹鋼基板重量就達(dá)到3.5噸左右，加上滿倉填倉粉末，負(fù)載超過20噸。同時Z軸的機(jī)械設(shè)計還需要考慮傳動機(jī)構(gòu)與加熱板、加熱板與基板之間的穩(wěn)定連接、Z軸機(jī)械結(jié)構(gòu)與成型艙之間的動密封、1500×1500mm大幅面每次步進(jìn)0.03-0.06mm的精度和可靠性等一系列因素，保證Z軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的長時工作穩(wěn)定性和可靠性難度巨大。

Z軸下降過多造成未熔合

Z軸下降高度不足造成錯位

應(yīng)用端

1. 填倉粉末需求19.5噸，總價格1500萬元左右

如需打印1500mm高度高溫合金產(chǎn)品，按照松裝密度4450千克/m、鋪粉系數(shù)1.3、單價650-900元/千克進(jìn)行測算，需要填倉粉末19.5噸，總價格1500萬元左右，啟動生產(chǎn)所需成本巨大。

2. 單倉打印周期數(shù)十天

幅面1500×1500mm、光束數(shù)量25個的設(shè)備單光覆蓋區(qū)域300×300mm，與幅面為600×600mm、4光設(shè)備是相同的，而鋪粉過程跨度遠(yuǎn)大于600×600mm幅面設(shè)備，單次鋪粉時間更長。打印截面積較大、高度1000mm以上的產(chǎn)品，時間很容易超過50天。通常認(rèn)為，打印時間控制在20天、最好15天以內(nèi)，設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性好，產(chǎn)品的合格率較高；50天以上的打印時間對設(shè)備考驗(yàn)嚴(yán)苛，質(zhì)量風(fēng)險巨大；同時經(jīng)濟(jì)風(fēng)險同樣巨大，一次打印失敗意味著損失了50天的有效工作時長，幾乎相當(dāng)于全年白干。

3. 單倉產(chǎn)品的打印機(jī)時費(fèi)用200萬元以上，產(chǎn)品價格300萬元以上

按照小時費(fèi)用率2000元/小時、打印50天測算，單倉產(chǎn)品僅打印機(jī)時費(fèi)用就超過200萬元，加上粉末、后處理等其他費(fèi)用，產(chǎn)品的價格將超過300萬元。即便是在對成本敏感度相對較低的軍工行業(yè)，單件產(chǎn)品價格超過300萬的產(chǎn)品極少，尤其是批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中幾乎沒有。

4. 需要大尺寸的線切割設(shè)備和熱處理設(shè)備作為配套條件

當(dāng)前市面上能夠完成截面1500×1500mm產(chǎn)品加工的線切割設(shè)備和熱處理設(shè)備很少；此外，還要考慮廠房的地面承重、吊頂高度、吊車載重等一系列配套因素，配套條件苛刻。

總結(jié)

綜合以上數(shù)據(jù)來看，當(dāng)前如果采用超大尺寸、超多光束激光選區(qū)熔化設(shè)備打印單件大尺寸產(chǎn)品，存在打印周期長、設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性差、打印風(fēng)險高、生產(chǎn)投入大、配套條件苛刻等諸多問題，應(yīng)用場景少，應(yīng)用前景不明朗。僅有少數(shù)產(chǎn)品極其復(fù)雜、對生產(chǎn)周期要求嚴(yán)苛、采用其他加工手段難以保證、對生產(chǎn)成本不敏感的研制初期產(chǎn)品適合采用該類設(shè)備。

超大尺寸、超多激光設(shè)備具備小尺寸零件批量打印潛力

同時換一個角度，采用超大尺寸、超多光束激光選區(qū)熔化設(shè)備不是為了打印單件大尺寸產(chǎn)品，而是為了打印多件小截面積、小高度產(chǎn)品，就可以規(guī)避拼接區(qū)域多、小區(qū)域問題導(dǎo)致單倉打印全部失敗等高風(fēng)險問題，一臺設(shè)備可作為10多臺300×300幅面單光設(shè)備或者4~5臺600×600幅面4光設(shè)備，發(fā)揮出高集成度的性價比優(yōu)勢。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請點(diǎn)擊轉(zhuǎn)載須知。