智能化校准对粉末床激光3D打印零件质量有什么影响？关于粉末床激光熔化（L-PBF）

关于粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印工艺质量控制技术的讨论通常围绕在高频、原位实时监控，以及人工智能算法的应用等领域。然而，通过该技术始终如一地制造高质量3D打印零件，还有一个容易被忽视的话题：激光校准。
粉末床激光熔化3D打印设备存在光斑尺寸漂移的可能，因此需要进行校准。但常见的激光校准流程较为繁琐，通常是需要每隔3到6个月通过外部引入校准技术人员，将3D打印机恢复到精确的工作状态。这一过程不仅所需时间长，较多依赖人工经验，且无法实现实时校准。
根据3D科学谷的市场观察，随着粉末床激光金属3D打印技术的发展，激光校准方式也在不断优化，比较明确的是，软件将替代人工经验在这一领域中发挥着关键作用。本期， 3D科学谷将以智能熔化金属3D打印系统制造商VELO3D所采用的自动化校准技术为例，分析智能化校准技术在实现高质量3D打印中所发挥的作用。
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VELO3D 金属3D打印技术的特点。来源：VELO3D
软件正在“吞噬”一切
基于L-PBF工艺的金属3D打印系统中，激光器是重要的光学器件。在这一工艺中，任何给定零件都可以有成千上万层，逐层进行金属粉末的熔化。由于激光对准有漂移的可能，尤其是在需要较长打印时间的情况下，零件被分为数千层逐层进行激光熔化，能够证明在第一层有效的校准，可能在打印到数千层时已经无效。这个问题在多激光器3D打印系统中更为复杂，各个激光器之间的校准也必须保持一致。
如果激光器没有以正确的功率对准正确的位置并以正确的速度移动，则可能会影响3D打印零件的质量。
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在第一层甚至前100层的有效校准，会在第8000层以后失效。来源：VELO3D
金属增材制造行业特定的标准还相对不成熟，许多标准组织（ASTM ， SAE ， AWS ， API等）正在开发或完善其文档。美国国家航空航天局（NASA）是最早于2017年10月发布此类准则的组织之一，其准则是L-PBF的增材制造航天硬件标准（MFSC-STD-3716）和随附的L-PBF工艺控制和鉴定规范（MFSC-SPEC-3717）。
根据MFSC-SPEC-3717 ， “校准只有在连续维护时才有效，而出于现实原因，在每次构建前进行激光3D打印设备的校准是不可行的。较长时间的校准间隔是在生产效率和质量保证之间做出折衷的结果。 ”这一信息反映出，无法在每次构建前进行校准，使制造商不得不在生产效率和质量保证之间做出选择。
MFSC-SPEC-3717指定了几个指标，包括激光聚焦和对准指标，规定必须至少每90天进行一次校准，以使增材制造过程保持合格，并将该设备所生产的3D打印零件标记为合格。 NASA的增材制造航天硬件标准并没有说明如何校准这些指标，但承认：“将有目的的标记激光打成平坦的实心板并根据指标评估标记（基于过去的性能）可能会提供足够的扫描头健康状况的证据。 ”
尽管这是进行激光校准的标准做法，但这种校准方法不仅耗时，而且还存在很大的不一致风险，由于几乎是人工手动的方式在完成这一过程，其中存在着许多固有的可变性。例如，为了校准激光聚焦，许多设备制造商要求将阳极氧化铝板放入构建室中，并小心地将其在构建平面上设置为与要打印材料的位置相同的高度（单位为微米）。将线烧入板中，然后取出并进行测量确定哪个轨道的直径最小，从而指示激光的焦点。在激光对准的情况下，一般需要再次在铝板或热敏纸上燃烧一系列的线。得到的结果有时需要发送到第三方进行光学坐标测量机（CMM）分析，生成校准文件，并发回给现场的服务工程师进行安装。如遇到需要多次进行迭代的情况，将显著增加校准时间，这一过程不仅依赖人工经验，而且会增加非生产时间，影响生产效率。
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图中两个长方体3D打印样件是通过2台激光器分为三段打印的，低端和上端部分采用同一台激光器，而中间段是另外一台激光器打印的。左方样件为不采用自动校准时产生的结果，中间部分出现了非常明显的偏移；右方样件为使用原位自动校准功能时所得到的结果，样件的上中下三段是一致的。来源：VELO3D
自动化原位校准
根据3D科学谷的观察， VELO3D通过软件改变这一状况， VELO3D 在其金属3D打印系统中提供了预先构建的校准功能，可以简化并自动进行打印设备光学系统的原位校准。 VELO3D 的技术可以实现在构建之前测量各种指标，包括光束稳定性、激光对准和聚焦等。增材制造的最终用户只需按一下按钮即可运行光学校准，而无需任何外部测量设备和复杂的人工手动校准过程。