随着选区激光熔融（LPBF）增材制造-3D打印技术迈向批量生产，业界面临着前所未有的挑战。在这一发展过程中，提升生产效率成为关键。为了应对这一需求，新一代的增材制造设备配备了更大的成型空间和多个激光器，以期实现更高效的生产。
然而，随之而来的是如何确保零部件质量的稳定性和一致性的问题。正是在这样的背景下，EOS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。
EOS 团队通过《实现稳定、一致的零部件特性》白皮书探讨了LCDS 曝光策略。本期，3D科学谷将据此简要分享LCDS曝光策略如何解决多激光增材制造的挑战。
要效率，更要性能
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。
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EOS M 300-4作为EOS 公司的四激光器金属增材制造设备，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。然而，这些需求也带来了工艺开发的新挑战。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重要的方面。
▲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设计了一系列实验，发现随着与激光中心距离的增加，样品的机械特性出现了变化，尤其是断裂伸长率受到显著影响。
▲断裂伸长率与距离因子
依赖位置的熔化行为
合理的激光路径及激光能量策略对于多激光3D打印至关重要，以确保所有激光器保持工作的时间大致相同，从而最小化每个层的加工时间。
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EOS通过分析不同基板位置的熔化行为，揭示了激光中心位置对熔化材料体积的影响。实验结果显示，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。
技术名词解释：
激光偏转可以通过以下几种方式实现：
光学元件：使用诸如透镜、棱镜、光栅或光学调制器等光学元件可以控制激光束的方向。
折射：当激光通过不同介质的界面时，其传播方向会因为折射率的变化而改变。
反射：激光束在遇到反射面时，根据反射定律，其方向会发生改变。
衍射：当激光通过一个狭缝或绕过一个障碍物时，会发生衍射现象，导致光束的扩散或偏转。
散射：激光在遇到不均匀介质或颗粒时，会发生散射，导致光束的偏转。
技术名词解释
条纹：在激光选区熔融（Selective Laser Melting, SLM）等金属3D打印技术中，激光束通常按照一定的扫描策略在粉末床上移动，形成条纹状的熔化区域。如果激光的能量分布不均匀或者扫描速度与激光功率不匹配，可能会导致条纹状的不均匀熔化，影响零件的机械性能和表面质量。
阴影：在金属3D打印过程中，已经打印的层可能会对下方未熔化的粉末区域形成阴影，导致激光能量无法均匀到达所有区域。这种阴影效应可能会造成粉末熔化不充分，产生孔洞或者不完全熔合的缺陷。
白皮书尝试解决以下问题的答案：
多激光器增材制造系统面临的挑战是什么？
激光偏转的影响是什么？
LCDS等新策略如何解决这些挑战？
基于这些发现，EOS开发了LCDS曝光策略，根据激光中心进行定向，以减少大幅偏转激光束产生的不良效应。初步实验表明，LCDS策略能够在整个成型基板上实现稳定、一致的零部件特性，同时减少飞溅的产生，从而提高表面质量。
▲左侧是作业布局，右侧是样品显微照片的一部分。激光器3生成的零部件密度显著降低。
在特定条件下，当前的曝光策略揭示出零件的机械特性和孔隙率与激光束偏转角度之间存在相互关系。经过详细研究后，EOS团队揭示了加工结果与曝光的填充和条纹方向之间的相关性。据此，EOS 开发了 LCDS 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。据悉，由于这些为初步测试，EOS团队很快将发布另一份关于此主题的白皮书。
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