选区激光熔化技术（SLM）是目前金属增材制造技术（AM）领域应用最广泛的粉末床熔融技术之一，其特点是利用高功率密度激光熔化金属粉末^[1]，制造接近全致密度的零件。随着增材制造效率要求的不断提高，SLM系统制造商提出增加单点激光功率或集成多个并行光纤激光器于一个系统的新方案，但成形速度仍受到振镜机械运动的限制^[2]。面曝光选区激光熔化技术是一种新兴的增材制造工艺方法，该技术特点是将激光光斑根据成形部件横截面几何形状调制成对应形状，一次曝光完成单层成形，整体自下而上顺次曝光，堆叠成型。

德国工业3D打印系统制造商EOS（EOS Electro Optical System）的新型面曝光技术采用近百万个二极管激光器熔化聚合物粉末材料并逐层制造零件，而不是使用单个激光束来回覆盖整个构建平台，激光器阵列可实现高达5 kW的最大总输出功率。劳伦斯·利弗莫尔实验室（LLNL）面曝光选区激光熔化技术以光寻址光阀（OALV）作为掩膜，由低成本二极管激光器阵列和Q开关脉冲激光器组成的混合光源一次打印整个金属粉末层^[3]。英国谢菲尔德大学开发的面曝光选区激光熔化工艺，利用可单独寻址的结构阵列低功率激光二极管发射器，进行高速并行处理，选择性地熔化预沉积粉末床中的金属粉末^[4]。中国工程物理研究院机械制造工艺研究所利用波长为915 nm的二极管连续激光器作为光源，结合电寻址反射式纯相位液晶空间光调制器，搭建了面曝光选区激光熔化增材制造原理装置平台，基于光敏纸和低熔点金属粉末材料进行面曝光熔化成形并获得了样品，实现了面曝光选区激光熔化的原理性验证^[5]。面曝光选区激光熔化技术取消了传统的振镜扫描，因此具有成形速度快、加工成本较低等优点。金属材料的面曝光选区激光熔化是目前选区激光熔化技术的发展趋势，但在不损伤光学器件的条件下进行面曝光选区激光熔化仍然是目前研究热点。

面曝光选区激光熔化技术工艺过程必须保证较高的形状精度^[6]，才能满足其未来工程化应用的需求。针对目前面曝光选区激光熔化成型精度未开展规律性研究的现状，本文对单层一次曝光成形的图形进行形状精度的表征，以探究功率、搭接率对形状误差的影响规律。进而探究成形过程中的形状精度的变化规律，提出降低曝光过程中的形状误差的技术途径。

1.   面曝光选区激光熔化单层成形形状精度分析

基于本课题组先前构建的面曝光选区激光熔化实验装置，如图1所示。

图  1  面曝光选区激光熔化实验装置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of experimental device for surface exposure selective laser melting

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在选区激光熔化的成型加工过程中，影响单层成形精度的因素主要有两个：扫描误差与熔道^[7]。成型过程中的扫描误差主要由扫描振镜系统的偏转误差造成，振镜系统的偏转决定形状精度；熔道是成型的基本组成单元且熔道搭接形成成型面，研究单熔道及搭接是研究选区激光熔化成型件形状精度的基础。

面曝光选区激光熔化单层一次曝光成形，激光光斑是单层成形的基本单位。根据选区激光熔化精度影响因素，将光斑搭接率作为研究对象，在不同激光功率等工艺参数条件下对光斑进行形状精度的研究。

点扫描选区激光熔化成形过程中，熔道搭接率是影响成型件表面粗糙度的重要因素，搭接关系如图2所示^[8]。其中点扫描选区激光熔化熔道搭接率（β₀）定义为

图  2  两熔道搭接示意图

Figure  2.  Schematic diagram of two-track overlapping

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式中：w₀为单熔道宽度；D₀为相邻熔道间的搭接宽度。

若β₀偏小，则说明相邻熔道之间会有凹陷区，但高度一致；若β₀适中，则有较好的熔化效果，成型件表面具有较好的粗糙度；若β₀偏大，则搭接区出现凸出区，相邻熔道高度不同，随着熔化的进一步进行，缺陷会进一步累积，导致成形的失败^[9]。

类似的，对于面曝光选区激光熔化单层成形时，成形部件横截面几何形状的熔化将由光束的多个子光斑一次完成，激光子光斑搭接是成型件形状精度的重要影响因素。面曝光选区激光熔化成形过程中，子光斑搭接关系如图3所示。其中子光斑搭接率（β₁）定义为

图  3  激光子光斑搭接示意图

Figure  3.  Schematic diagram of overlapping of laser beamlet

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式中：w₁为激光光斑直径；D₁为相邻光斑间的搭接宽度。

面曝光选区激光熔化中，成形部件横截面由点、线、角等几何要素构成。针对形状精度，分解的形状精度表征参数如图4所示，将以激光光斑为基础，在不同搭接率与工艺参数条件下进行单点精度与多点精度的研究^[10]，探究面曝光选区激光熔化中形状精度。

图  4  形状精度的表征树状图

Figure  4.  Representation tree of shape accuracy

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2.   实　验

2.1   实验设备与材料

本文使用的面曝光激光输出光路及实验装置，主要组成功能器件有：波长为915 nm的二极管激光器、连续可调扩束镜、格兰-泰勒棱镜、可调圆孔光阑、反射式纯相位液晶空间光调制器^[11]。激光器工作电压25 V，激光功率与电流呈正相关，通过调节电流控制激光功率变化。实验材料采用统一规格激光调光纸，电流调节、曝光时间可通过激光器电源控制软件实现定量控制，搭接率可通过空间光调制器载入图形进行调制。

实验结果由奥林巴斯GX53金相显微镜测量、数显式游标卡尺测量，取3次测量值的平均值。实验前，通过光学标尺对金相显微镜进行校正，游标卡尺测量前归零，避免其它误差干扰实验测量结果。

2.2   实验方法

2.2.1   激光功率、曝光时间对激光光斑形状精度的影响

针对激光光斑存在的形状误差，设计曝光时间不同的测试方案，具体测试方案如表1所示。通过单次定时曝光，在激光调光纸上成形200×200像素图中白色单点光斑，加载图形如图5所示。根据预实验，X、Y方向上分别为直径最大值与最小值，统计激光光斑平均直径及X、Y垂直方向上直径偏差${D}_{{\rm{D}}} = {|D}_{X}-{D}_{Y}|$。

表  1  激光光斑形状精度实验表

Table  1.  Experimental scheme of laser spot size accuracy test table

exposure time/s	current/A
0.1	0.05
0.2	0.10
0.3	0.15
0.4	0.20
0.5	0.25
0.6	0.30

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图  5  激光光斑测试图

Figure  5.  Laser spot test chart

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2.2.2   激光功率、搭接率对熔道、尖角、圆环形状精度的影响

通过控制激光的两束子光束，可形成不同搭接率的激光光斑，如图6所示。选区激光熔化成形中，熔道搭接率一般为30%～60%^[12]。利用23%，30.7%，38.4%，46.1%，53.8%五种搭接率，研究曝光时间一定（0.6 s）而搭接率不同时，功率对熔道、指定直径圆、指定尖角成形的形状精度的影响规律。

图  6  激光光斑搭接图

Figure  6.  Laser spot overlap image

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单层成形熔道、圆环、尖角三种基础几何元素时，统计其成形值与理论值之间的误差，可反映出面曝光选区激光熔化形状精度的变化规律，为后续单层复杂成形至零件多层成型的形状精度研究奠定基础^[13]。熔道、圆环、尖角加载图形如图7所示。

图  7  熔道、圆环、尖角测试图

Figure  7.  Test drawings of track, circular ring and sharp angle

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2.2.3   激光功率、搭接率对线框成形的影响

以往研究表明，选区激光熔化成形过程中，激光功率、扫描速度等工艺参数会对粉末扫描轨迹形成具有较大的影响^[14]。面曝光选区激光熔化成形复杂形状时，激光通过空间光调制器调制时，成形图案中会出现明显的零级衍射光斑，多层成型时，将显著影响成型件的形状精度^[15]。而零级衍射光斑出现的原因是：空间光调制器单个像素点之间存在像素间距，部分激光照射在像素间距，无法被调制，进而产生零级衍射光斑，如图8、图9所示。通过调整搭接率，有望进一步的减弱零级衍射带来的形状误差^[16]。线框作为线段、尖角基本元素的组合，其成形将进一步说明复杂成形时功率、搭接率对形状精度的影响，成形过程中可能出现的影响因素及解决方法。

图  8  零级衍射产生示意图

Figure  8.  Schematic diagram of the causes of zero-order diffraction

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图  9  线框及零级衍射光斑

Figure  9.  Wireframe and zero-order diffraction spot

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3.   结果与分析

3.1   激光功率、曝光时间对激光光斑形状精度的影响

实验得到激光光斑如图10所示。通过统计光斑平均直径${D}_{{\rm{ave}}}$，如图11所示。可以看出：电流一定的情况下，曝光时间对激光光斑平均直径${ D}_{{\rm{ave}}}$的影响并不显著，激光光斑平均直径较为稳定，且不同电流水平光斑平均直径差距较小。

图  10  激光光斑形貌

Figure  10.  Laser spot shape

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图  11  功率、曝光时间对光斑直径影响

Figure  11.  Influence of laser power and exposure time on spot diameter

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进一步地，为探究激光功率对光斑垂直两方向直径差距的影响规律，统计x，y方向上测量值直径的偏差${D}_{{\rm{D}}}=$${|D}_{x}-{D}_{y}|$随着功率变化的趋势，结果如图12所示。从图中可以看出：曝光时间一定的情况下，电流对激光光斑两垂直方向上直径具有显著的影响。电流越大，激光光斑在x，y两垂直方向上直径偏差${D}_{{\rm{D}}}$呈现先增后减的趋势。即随着功率增加，由于激光调光纸上热量积累，激光光斑会出现一定程度的变形。一定范围内，电流极小或极大处，激光光斑更均匀，更有利于后续的熔化成形。

图  12  激光功率对${D}_{{\rm{D}}}$影响

Figure  12.  Influence of laser power on ${D}_{{\rm{D}}}$

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3.2   激光功率、搭接率对熔道、尖角、圆环形状精度的影响

在面曝光选区激光熔化激光光斑搭接分析基础上，以熔道为例，搭接率不同，会造成一定的形状误差，如图13所示。由图可看出，选区激光熔化中单熔道最常见的方式是搭接率为92.3%的熔道。但面曝光选区激光熔化成形时，单个光斑能量取决于激光子光束总数，故搭接率会影响到能量分配，进而影响形状精度^[17]。实验结果如表2所示，L₁为熔道测量长度，L₀为熔道理论长度；B_max为成形熔道最大宽度，B_min为成形熔道最小宽度。统计测量长度与理论长度之间的误差${D}_{{\rm{L}}}=|{L}_{1}-{L}_{0}|$、最大宽度与最小宽度之间的误差${D}_{{\rm{B}}}=\left|{B}_{\max}-{B}_{\min}\right|$随功率、搭接率变化的趋势，如图14所示。

图  13  不同搭接率的熔道

Figure  13.  Tracks with different overlap rates

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表  2  激光功率、搭接率对熔道影响

Table  2.  Influence of laser power and overlap rate on track

current/A	53.8%	46.1%	38.4%	30.7%	23%
1 2 3 4

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图  14  激光功率、搭接率对${D}_{{\rm{L}}}$，，${D}_{{\rm{B}}}$影响

Figure  14.  Influence of laser power and lap rate on ${D}_{{\rm{L}}}$, ${D}_{{\rm{B}}}$

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根据图14可知，搭接率一定时，${D}_{{\rm{L}}}$随激光功率增大呈现先减后增的趋势，一定范围内，${D}_{{\rm{L}}}$存在极小值；功率一定时，误差随着搭接率增加而呈现起伏，搭接率为23%、38.4%时，${D}_{{\rm{L}}}$更容易出现较小值，有利于熔道的精确成形。搭接率一定时，除搭接23%情况外，其余熔道宽度误差${D}_{{\rm{B}}}$均随电流增大而先减后增；电流为2～3 A时，熔道整体成形较好，熔道宽度误差${D}_{{\rm{B}}}$随搭接率先减后增，搭接率在30%至40%间，熔道宽度误差较小。而综合熔道长度、熔道宽度方向上偏差变化趋势，可以看出：搭接率38.4%与电流3 A更有利于降低形状误差，得到形状较好的熔道，与实验相符合。

圆环作为一种基础几何元素，在成形圆柱类金属零件时，对形状精度的影响至关重要。面曝光选区激光熔化成形需要激光光斑的误差可控，也需要几何图形的精确成形。统计实验结果，如表3所示。部分实验因为电流过低，成形失败。成形完整的实验结果显示，激光功率对圆环直径成形误差具有较为显著的影响。

表  3  圆环成形实验结果

Table  3.  Experimental results of circular ring forming

current/A	92.3%	53.8%	46.1%	38.4%
2
3
4
5
6

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统计成形圆的理论直径与实际成形直径之间误差记为${D}_{{\rm{C}}}$。电流为2 A时，无法成形圆，不计入实验结果；仅统计电流为3～6 A工况下${D}_{{\rm{C}}}$的实验结果，如图15所示。数据显示，无论搭接率如何变化，圆成形误差${D}_{{\rm{C}}}$均随着电流增加而逐渐增加。由此可知，面曝光选区激光熔化在成形具有圆形特征的零件，需选择合适的工艺参数，避免成形误差累积对形状精度的影响。

图  15  激光功率对成形圆环的影响

Figure  15.  Effect of laser power on forming circular ring

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选区激光熔化在成形复杂构件时具有一定优势，而复杂构件往往由一些典型结构构成，比如：尖角、悬垂、薄壁等，而尖角往往是成形这些结构的基础特征之一。尖角的精确成形，将进一步说明面曝光选区激光熔化成形复杂构件的潜力^[18]。搭接率不同时，进行固定角度30°的曝光实验，实验结果如表4所示。由实验结果可知，随着激光功率的增加，成形尖角呈现熔化不均匀的情况。有两个原因：（1）空间光调制器调制效率不高，能量大部分集中在顶点处积累，造成了过度熔化^[19]；（2）零级衍射的影响，非调制光能量造成了过度熔化。

表  4  成形角度实验结果

Table  4.  Experimenta results of forming sharp angle

current/A	92.3%	53.8%	46.1%	38.4%
1
2
3
4
5
6

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角度特征理论度数与实际成形度数之间误差记为${D}_{\alpha }=|{\alpha }_{1}-{\alpha }_{0}|$（其中：α₁为测量角度，α₀为理论角度）。统计结果如图16所示：搭接率一定的情况下，在一定范围内，${D}_{\alpha }$随着电流的增加，呈现波动状态，具有下降趋势，在2 A处出现了偏差极大值。结合实验结果来看，1 A至3 A范围内熔化不足，可能导致出现较大偏差^[20]。

图  16  激光功率对成形尖角的影响

Figure  16.  Effect of laser power on forming sharp angle

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3.3   激光功率、搭接率对线框成形的影响

不同于点、线、圆、尖角特征的成形，成形16 mm×16 mm线框是面曝光选区激光熔化成形大面积图形的探索^[21]。通过实验定性说明搭接率、电流影响形状精度和成形质量。成形线框实验结果如表5所示，搭接率一定，电流越大更有利于线框成形；一定范围内，随着搭接率降低，空间光调制器对能量分配更加均匀，衍射效率提高，零级衍射减弱，线框整体成形效果更好。受限于实验条件，电流无法继续增加进行试验。对于大面积成形，零级衍射现象的干扰不可避免，但在电流8 A或更大情况下，搭接率46.1%，38.4%时可以降低零级衍射光斑带来的干扰。

表  5  线框成形实验

Table  5.  Results of wireframe forming experiments

current/A	92.3%	53.8%	46.1%	38.4%
6 7 8
zero-order diffraction light spot

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4.   结　论

本文基于面曝光选区激光熔化成形平台，研究了面曝光选区激光熔化单层成形中不同电流、搭接率对几何元素（点、线、圆、尖角）成形形状精度的影响规律等。研究了电流、激光光斑搭接率对面曝光选区激光熔化单层成形形状精度的影响规律。在电流一定的情况下，曝光时间对激光光斑平均直径${ D}_{{\rm{ave}}}$的影响不显著，且不同电流水平光斑平均直径差距较小；曝光时间一定的情况下，电流对激光光斑两垂直方向上直径具有显著的影响，直径偏差${D}_{{\rm{D}}}$呈现先增后减的趋势；一定范围内，电流越大，激光光斑更均匀，有利于提高成形精度。获得了熔道在长度、熔道宽度方向上的误差变化趋势，结果表明：搭接率38.4%有利于降低形状误差，得到形状精度较高的熔道；搭接率一定时，圆环成形误差${D}_{{\rm{C}}}$随着电流增加而逐渐增加；尖角成形误差${D}_{{\text{α}} }$随着电流的增加，呈现先增后减的趋势，较大形状误差可能与电流不足导致的曝光不充分有关。探索了面曝光选区激光熔化成形大面积图形线框时的成形规律和零级衍射现象，在一定范围内，电流越大更有利于线框成；零级衍射现象对成形精度影响较大，搭接率为46.1%，38.4%时可减弱零级衍射，进而降低了形状误差。

致　谢　感谢实验过程中孙凯华博士、钟华、孙铭给予的指导和帮助。