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圖1：用選擇性激光燒結(jié)制作的復(fù)雜3D物體。

 

       隨著產(chǎn)品尺寸接近30μm甚至更小，若想使這些功能以精確和可重復(fù)的方式實(shí)現(xiàn)，SLS系統(tǒng)的所有要素都很關(guān)鍵。例如，SLS的金屬粉末傳送有兩種主要類型。第一種是通過(guò)粉末床將更多的粉末材料卷入加工的部件。第二種是將粉末噴嘴頭和激光傳送頭安裝在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)同步燒結(jié)。不管是哪種方法，若要進(jìn)行微燒結(jié)都必須要滿足以下要求：粉末的尺寸要合適；激光光斑必須足夠小，以便能創(chuàng)建一個(gè)足夠小的熱影響區(qū)；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度和可重復(fù)性必須足夠高，才能確保每一次燒結(jié)都是在正確的位置上進(jìn)行。在本文中我們將討論，為了能實(shí)現(xiàn)選擇性激光微燒結(jié)所要求的運(yùn)動(dòng)，我們?cè)趧?chuàng)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的各種因素。

 

      設(shè)計(jì)理想的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)首先要成竹在胸，這意味著我們必須知道所需要的運(yùn)動(dòng)類型。需要怎樣的加速度、速度、精度、可重復(fù)性和跟蹤誤差？在這一評(píng)估階段不需要考慮用什么樣的機(jī)械解決方案，不管是龍門、XY振鏡掃描頭、簡(jiǎn)單的堆疊式平臺(tái)解決方案還是它們的任意組合，運(yùn)動(dòng)的參數(shù)將為我們提供最優(yōu)的力學(xué)指導(dǎo)。讓我們想象一下，某一個(gè)選擇性激光微燒結(jié)在工作點(diǎn)需要個(gè)位數(shù)微米的精度。假設(shè)這是一個(gè)粉末床上的應(yīng)用，而不是粉末噴嘴。這顯然會(huì)限制我們的討論范圍。

 

機(jī)器的底座部件 

      我們將自下而上，從機(jī)器的底座部件開(kāi)始。首要考慮的是這個(gè)機(jī)器底座要有足夠剛性，必須沉重而且能抵抗會(huì)引起工作點(diǎn)微小振蕩的地面干擾（圖2）。

 圖2：花崗巖由于具有出色的平整度，因而是充當(dāng)SLS底座板的理想選擇，平坦的底座將能提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

 

      考慮因素包括合適的水平調(diào)節(jié)腳、堅(jiān)固的金屬結(jié)構(gòu)以及機(jī)器底座與底座板之間正確的隔振系統(tǒng)類型。對(duì)于一些精密的應(yīng)用，還有必要記錄這臺(tái)機(jī)器最終安裝位置的地面振動(dòng)的特點(diǎn)。這能幫助設(shè)計(jì)師了解所設(shè)計(jì)的機(jī)器應(yīng)該能有效地抵抗哪個(gè)頻率的振蕩。通常情況下不需要進(jìn)行這一步驟，但有時(shí)候機(jī)器制造商會(huì)就理想的地面特點(diǎn)給出建議。大多數(shù)情況下，機(jī)器制造商會(huì)針對(duì)最常見(jiàn)的情況來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。隔振系統(tǒng)的復(fù)雜性有所不同，從簡(jiǎn)單的被動(dòng)阻尼材料、被動(dòng)式空氣隔離、主動(dòng)式空氣隔離，或是利用一些根據(jù)客戶系統(tǒng)定制的流體來(lái)隔離。不管選擇的是什么，在這里都要阻擋所有不必要的頻率。

 

      一旦完成了初步的底座設(shè)計(jì)，下一步就是決定實(shí)際運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)類型。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)圍繞著粉末床的300×300×150mm XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，粉末床下方是專用的加粉和水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)。工作行程需要在三個(gè)維度運(yùn)動(dòng)，并且必須能跨越整個(gè)粉末床。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括三個(gè)方向（X、Y和Z）的線性平臺(tái)，并且是傳統(tǒng)的龍門式結(jié)構(gòu)（圖3），即一根橋梁軸連接著雙軸。請(qǐng)注意，一個(gè)控制器只能精確定位一個(gè)軸平臺(tái)，這主要是受到編碼器的分辨率、軸承的機(jī)械分辨率和編碼器工作點(diǎn)的位置所限制。對(duì)于第一個(gè)限制——編碼器分辨率，一般使用調(diào)諧正弦波編碼器反饋來(lái)克服。理想的控制器將通過(guò)對(duì)典型的1Vpp信號(hào)應(yīng)用偏移和定標(biāo)因素來(lái)調(diào)諧正弦和余弦信號(hào)。校正后的信號(hào)將被控制器采樣并以內(nèi)插值替換至納米級(jí)。龍門結(jié)構(gòu)的軸承選擇將限制高的電子分辨率的實(shí)現(xiàn)，軸承的摩擦力越小，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)就越能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高的電子分辨率。因此，許多高精度機(jī)械的制造商都會(huì)考慮氣浮軸承。不過(guò)，氣浮軸承不能在真空環(huán)境下工作，它還會(huì)受到粉塵污染的制約，并且它的剛性也不如機(jī)械軸承方案。最后，考慮到在任意線性軸平臺(tái)的角誤差（傾斜、滾擺和偏航），那么確定工作點(diǎn)編碼器的位置非常重要。工作點(diǎn)離軸承和編碼器系統(tǒng)越遠(yuǎn)，角誤差就會(huì)更進(jìn)一步擴(kuò)大。

 

      幸運(yùn)地是，高端運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的供應(yīng)商找到了回避這些誤差的方法。例如，對(duì)于前面討論的龍門系統(tǒng)，平行的龍門基軸或是粉末床兩邊的“桅桿”承載著一個(gè)位于粉末床上方的龍門橋梁軸(也是由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng))。這些平行的基軸可能不會(huì)與橋梁軸實(shí)現(xiàn)完美的正交，但選擇正確的控制器可以通過(guò)將偏移應(yīng)用于其中一個(gè)基軸或者說(shuō)“桅桿”上，來(lái)“強(qiáng)制”實(shí)現(xiàn)正交。這將有助于盡量減少工作點(diǎn)的角誤差。此外，每個(gè)編碼器必須進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣可以在工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最高的精度水平。該校準(zhǔn)程序包括在激光工作點(diǎn)放置反射式光學(xué)器件（安裝到XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上）。激光干涉儀被用作主定位參考，因?yàn)楸恍?zhǔn)的軸會(huì)沿著它的方向運(yùn)動(dòng)。

 

      在工作點(diǎn)用激光干涉儀反饋來(lái)校準(zhǔn)光學(xué)線性編碼器，將能加強(qiáng)以下兩個(gè)方面的表現(xiàn)。第一，它糾正了被校準(zhǔn)的軸向誤差的大小，這主要是由該軸的運(yùn)動(dòng)角誤差引起的，而編碼器和工作點(diǎn)之間的距離又放大了該誤差。應(yīng)該指出的是，誤差向量的角要素沒(méi)有被糾正。不過(guò)，如果是對(duì)稱高斯光束或是平頂激光光斑，那么這一誤差的角要素就不是一個(gè)重要的考慮因素了。第二，它增加了工作點(diǎn)的軸平臺(tái)的原始線性精度。沿著平臺(tái)工作的軌跡移動(dòng)到多個(gè)位置，來(lái)跟蹤原始編碼器和更精確的干涉儀反饋之間的差異。兩個(gè)設(shè)備之間的測(cè)量差異將用于生成校準(zhǔn)文件。控制器將使用該校準(zhǔn)文件來(lái)確保在工作點(diǎn)精確執(zhí)行指令的運(yùn)動(dòng)。

 

      現(xiàn)在，精確校準(zhǔn)的XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)可以在粉末床的上方使用。線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)的XY龍門不能實(shí)現(xiàn)滿足目標(biāo)生產(chǎn)率所要求的速度。掃描速度要求為幾米每秒，所以選擇XY振鏡掃描頭作為光束控制的工具。唯一的問(wèn)題就是，當(dāng)零部件在XY上的尺寸為250×250mm時(shí)，振鏡掃描頭的視野是100×100mm。還有，在應(yīng)用了平場(chǎng)聚焦透鏡（f-thetalens）理論校正文件的基礎(chǔ)上，掃描頭的精度為±50μm。

 

      有幾種方法可以用來(lái)解決振鏡掃描頭的視野受到限制的問(wèn)題。第一種方法是借助一種步進(jìn)掃描技術(shù)。即讓振鏡掃描頭超高速移動(dòng)，再用伺服軸來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)位。在掃描過(guò)程中，伺服軸會(huì)保持振鏡掃描頭的位置。使用此方法，將振鏡視野（FOV）之外移動(dòng)的范圍與每一個(gè)視野的邊緣“縫合”在一起。此外，考慮到掃描鏡將激光光束向平場(chǎng)聚焦透鏡的范圍移動(dòng)，光斑尺寸會(huì)發(fā)生變形，還會(huì)產(chǎn)生更高水平的定位誤差。因此，有必要找到一個(gè)合適的工業(yè)控制器來(lái)將伺服運(yùn)動(dòng)和振鏡運(yùn)動(dòng)整合在一起，這將帶來(lái)兩個(gè)好處。第一個(gè)是消除“縫合”帶來(lái)的任何誤差。第二是在保持快速加工的同時(shí)，還能將振鏡掃描軸的視野限制在更精準(zhǔn)并且變形更小的透鏡中央?yún)^(qū)域。在振鏡掃描頭下，較慢的伺服運(yùn)動(dòng)不斷地移動(dòng)部件，使其“重新居中”。

 

      現(xiàn)在該審查我們的機(jī)械設(shè)計(jì)了。此時(shí)，該系統(tǒng)包含了帶有合適的水平調(diào)節(jié)腳和隔振系統(tǒng)的機(jī)器底座，以及帶有XY掃描頭的XYZ龍門運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，還有一些工藝要求能幫助我們縮小控制器的選擇范圍。之后就該確定底座板的材料，最后再重新審視機(jī)器底座的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的所有部件必須在一起工作，所以重要的是要確保機(jī)器底座和運(yùn)動(dòng)設(shè)備能無(wú)縫連接在一起工作。

 

      底座板的材料能顯著影響機(jī)器的性能。通常情況下會(huì)選擇鋼鐵、鋁和花崗巖?；◢弾r由于具有出色的平整度，因而是充當(dāng)?shù)鬃宓睦硐脒x擇，平坦的底座將能提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能，因?yàn)槠秸日`差會(huì)被轉(zhuǎn)移到安裝在底座上的平臺(tái)中（圖3）。這是由于底座板的剛性通常不如它們負(fù)載的設(shè)備?；◢弾r的缺點(diǎn)包括成本，還有難以與那些需要通過(guò)特殊插入處理（例如鉆孔和螺紋孔）來(lái)連接的設(shè)備一起工作，并且其熱膨脹系數(shù)與安裝在其上的設(shè)備有所不同。最終，我們將基于性能來(lái)下決定，但實(shí)際上也可以歸結(jié)為成本和實(shí)用性的考慮。例如，如果價(jià)格較低的機(jī)械加工表面規(guī)格與鋁合金厚板合適，那么我們可能就不會(huì)選擇花崗巖。重新審視機(jī)器底座的設(shè)計(jì)，將確保能為其上的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供合適的支撐結(jié)構(gòu)。

 

 

 

圖3：包含XY振鏡掃描系統(tǒng)的龍門式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

 

      現(xiàn)在該評(píng)估運(yùn)動(dòng)控制器了。我們應(yīng)該知道操作該機(jī)械系統(tǒng)所需要的控制器應(yīng)該具有什么功能，這將能幫助縮小我們的選擇范圍。一些關(guān)鍵的考慮因素包括：哪種類型的控制器可以管理五軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)？這種控制器可以連續(xù)處理大的零部件嗎？如果可以，那么編程有多困難？如何將控制器與工業(yè)激光進(jìn)行對(duì)接？激光可以根據(jù)距離和/或均勻的速度來(lái)脈沖嗎？如何控制脈沖寬度？如何將機(jī)器功能所需的控件和加工要求的控件配合在一起？正確地回答這些問(wèn)題之后，選擇的控制器就能幫助該機(jī)器如設(shè)想中地工作。因此，重要的是不僅要了解粉末材料與激光之間的相互作用，也要了解這種相互作用在三維空間中是如何體現(xiàn)的。

 

      考慮到這一點(diǎn)，我們的目標(biāo)是，將振鏡掃描器運(yùn)動(dòng)和伺服運(yùn)動(dòng)整合起來(lái)以消除“縫合”的影響，此外還有最大化生產(chǎn)率，以及在平場(chǎng)聚焦透鏡的中央?yún)^(qū)域進(jìn)行工作。激光光斑尺寸和脈沖必須保持一致，并且要盡量杜絕變形。步進(jìn)掃描的啟動(dòng)和停止會(huì)造成不利影響，它應(yīng)該是持續(xù)移動(dòng)的。此外，使用振鏡掃描頭將能實(shí)現(xiàn)一些獨(dú)特的功能，例如快速振蕩（抖動(dòng)）激光來(lái)創(chuàng)建“更厚”的部件路徑。振鏡掃描頭非常高的加速度能實(shí)現(xiàn)更有效的轉(zhuǎn)向操作，此功能對(duì)那些有很多方向變化的零部件極為有用。如果存在方向變化，那么設(shè)置基于勻速的激光脈沖時(shí)間將非常困難?？梢愿櫣ぷ餍谐桃约案鶕?jù)向量距離來(lái)觸發(fā)脈沖的控制器將能幫助實(shí)現(xiàn)這一操作。目標(biāo)是在這一選擇性激光微燒結(jié)過(guò)程中保持一致的結(jié)構(gòu)。

 

      最后，結(jié)合了振鏡掃描頭和平場(chǎng)聚焦透鏡后，在透鏡中央25×25mm區(qū)域內(nèi)的精度是±30μm，這已經(jīng)經(jīng)過(guò)了理論校正。該運(yùn)動(dòng)的可重復(fù)性非常好，但是還不夠精準(zhǔn)。有什么辦法來(lái)校準(zhǔn)該區(qū)域以獲得更精確的結(jié)果呢？除了伺服系統(tǒng)的精度之外還有振鏡掃描頭和平場(chǎng)聚焦透鏡的精度，所以誤差越小越好。如何校正振鏡掃描頭來(lái)實(shí)現(xiàn)最高水平的精度，并且還能與攜帶它的伺服軸保持對(duì)齊？我們還有很多問(wèn)題。

 

小結(jié) 

      從快速成型制造和利用SLS根據(jù)方案設(shè)計(jì)來(lái)制造產(chǎn)品出發(fā)，要進(jìn)行30μm及其以下的選擇性激光微燒結(jié)我們還需要進(jìn)行一系列新的思考。這些考慮因素大多都簡(jiǎn)單明了。為了制作更小尺寸的產(chǎn)品，我們需要更小的粉末顆粒，以及較小的激光光斑尺寸。另一項(xiàng)要求是要能控制激光脈沖以控制能量的輸入。在概念上來(lái)說(shuō)，這些要求是很容易理解的。

 

      與此相對(duì)應(yīng)的是，本文提出的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，每一個(gè)都有著獨(dú)特的誤差。雖然我們討論了其中的很多問(wèn)題，但還有更多并未涉及。例如，管理粉床的粉層水平調(diào)節(jié)；管理粉床的一致性，因?yàn)榉勰┎牧想S著粒徑減小而有著不同的表現(xiàn)；使用噴嘴式送粉技術(shù)；維持噴嘴式送粉的正常運(yùn)行；對(duì)零部件進(jìn)行三維方向的編程，并且在五個(gè)移動(dòng)軸上執(zhí)行該編程文件。諸如此類，不勝枚舉。因此，重要的是考慮如何確保你的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能在三維空間中正確執(zhí)行每一個(gè)動(dòng)作。由于這些運(yùn)動(dòng)的要求變得越來(lái)越有技術(shù)挑戰(zhàn)性，因此對(duì)于哪些任務(wù)可以在內(nèi)部解決，哪些任務(wù)需要借助合作伙伴的幫助來(lái)做出正確決定，你要做到心中有數(shù)。