增材制造技术能够实现的可能性总是给人带来新的惊喜：最精细的结构、最复杂的单个零件以及仿佛凭空出现的、极具吸引人的零件特性。从1986年开始，3D Systems公司就在工业行业领域中开创了许多新领域。如今，该公司是增材制造领域中最大的参与者之一，为全球各地的企业开发了众多不同的增材制造解决方案。

人们常常会问：在受到高度监管的医疗和航空航天工业领域中得到广泛应用的、由3D Systems开发的增材制造技术解决方案的可重复性和过程稳定性到底如何？例如，增材制造解决方案的使用者需要用可靠的使用记录证明：在所有3D Systems系统使用时间里的工艺过程稳定性和可靠性。

3D Systems公司也想为其客户排忧解难，它们的目标是：为客户提供连续的现场测量和校准技术解决方案，包括专门的文档记录编写功能，以便设备用户能够满足最高标准的严格要求。

图1  3D Systems公司DMP Factory 500型3D打印机打印室中使用的、由MKS公司开发制造的Ophir Beam Peek高功率激光综合分析仪

高要求的行业标准

增材制造工艺过程中的每一步都是很重要的生产步骤。3D金属增材制造中基于激光技术的光学系统，必须完全符合相关的技术规范和技术要求。只有这样，才能确保制造的每个零部件都有所需的特性。其中最重要的光学工艺参数包括激光功率、光束焦散和激光束位置。

3D Systems公司的工程师们在3D金属材料增材制造设备的开发和使用过程中始终监控着增材制造过程中的各个工艺参数。同时，技术服务人员也应定期在客户现场检查激光光学系统的性能和稳定性。3D Systems公司的开发项目经理Wouter Polspoel先生表示：“我们的客户，尤其是在高监管领域中的客户，必须证明他们所制造的零件完全符合很高的质量要求。它们必须遵守ISO标准的要求，包括ISO 52941标准的要求。而ISO 52491标准的名称是‘增材制造系统性能和可靠性航空航天用金属材料激光-金属粉末熔合机验收试验’。我们的目的是制定一套能够满足不同标准和规定要求的增材制造程序包。”

对高性能激光器来讲，激光烧结层的焦斑测量是一个特殊的挑战。MKS公司正好在此关键时刻推出了一个全新的解决方案：Ophir Beam Peek高功率激光综合分析仪。凭借创新性的测量技术，该分析仪提供了在很短的测量时间内完成多种检测分析的可能性。

图2  紧凑型的高功率激光综合分析仪可以非常方便地安置在激光打印工作室里

为最佳实践进行的大量测试

作为全新解决方案的一部分，生产厂家在DMP Factory 500型3D打印机上对Ophir Beam Peek高功率激光综合分析仪进行了长期测试。3D打印机用三台光纤激光器打印了尺寸大小为500 mm×500 mm×500 mm的结构件。测量打印效果时使用的软件是3D打印技术工程师专门设计的测量软件。该软件定义了测量数据允许的偏差，并能创建一个包含大量检测数据的表单。所有这些就构成了一个可执行的、完整的高级服务包。

Wouter Polspoel先生说：“ Ophir Beam Peek高功率激光综合分析仪证明了它具有很多有益的功能性并且非常容易使用。”他还介绍说道：“功率输出的稳定性和光束焦散的准确性对高质量的3D打印至关重要。此外，我们还用Ophir Beam Peek高功率激光综合分析仪测量了每个激光烧结层中心点处的激光光束质量因子M2。”

此外，作为高级服务包中的一部分，它还能用Ophir高功率激光综合分析仪检查激光功率的稳定性。这种风冷式的FL1100A-BB-65型高功率激光综合分析仪与手持显示器相结合可以检测设定的激光功率，并在15 min的时间里测得最大的激光功率数值。

通过提供的额外服务，3D Systems公司还为其客户提供了更多的安全性和灵活性。Wouter Polspoel先生表示：“我们预计激光参数不会出现重大变化；因为我们使用的是高质量的组件、非常稳定的工业技术。尽管如此我们仍然希望为客户提供一种通过检查过程测定参数和记录增材制造数据的方法。借助于Ophir Beam Peek高功率激光综合分析仪系统，我们能够在高级服务包提供的套餐范围内完成符合ISO标准要求的、要求极为严格的过程控制和校准要求。无论高级服务商还是客户，都对3D激光打印的零部件非常满意——这也正是市场所需要的：很高的可靠性！”建议每六个月用高级服务包检测一次3D打印的激光设备。

图3 为3D打印机中三个激光光束（每个激光光束的功率超过400瓦）在不同气体流量情况下的光束束腰位置差异

最佳设计

但是Ophir Beam Peek高功率激光综合分析仪，不仅是技术服务工程师使用的仪器设备；正如3D Systems公司的研发工程师Viktor Valckenaers先生所介绍的那样：“我们在全新增材制造激光检测系统的设计阶段就对高功率激光综合分析仪进行了密集的测试。尤其是激光束束腰位置的测量，清楚地显示了气体流量、组件污染程度和光束参数之间的相互关系。这些认知在优化我们的新系统时有着极大的帮助。”

3D打印室中氩气气流，对增材制造零件的质量有着明显的影响。因此3D systems公司的工程师们在氩气喷嘴的位置方面投入了大量的研发工作。首先，他们在设计阶段就利用仿真模拟软件寻找最好的喷嘴几何形状。每当原型机的测试开始时都会用Ophir Beam Peek测量设备进行测试。每次打印前、后都对不同气流流动的情况进行测量。在研发DMP Factory 500型3D打印机的过程中，这些测试表明气体气流与光束腰的位置有着直接关系。第32页上的图片，显示了气流流量优化前后激光光束束腰的每一点变化情况。因此也可以预见对激光打印零件的质量产生影响。

对此，Viltor Valckenaers先生表示：“众所周知，3D打印制造零件的质量在很大程度上取决于打印室中的气体流动情况。因此，准确的量化由非最佳氩气气体流量引起的偏差，对光束束腰的影响最小是非常有益的。”

一旦所有原型机的工作参数确定，并完成原型机的生产制造之后，每台原型机都要经过长达数月的密集测试。在这为期数月的测试中，要定期利用高功率激光综合分析仪对激光打印原型机进行检测。这些测量在光束焦散的复查和过程可靠性记录中都发挥中重要的关键作用。正如Viltor Valckenaers先生所说的那样：光束质量分析仪的另一个好处是“Ophir Beam Peek分析仪，也就是高功率激光综合分析仪即可用于高功率激光的检测，也可以用于低功率激光的检测。这对我们来说非常有价值；因为它允许我们使用光束质量分析仪进行全系列3D打印机的检验测量。”

合作的成果

不仅在密集的测试阶段而且也在系统集成阶段，所有出现的问题都由Ophir Beam Peek分析仪的研发人员直接解决了。现在可以说：合作项目已经取得了巨大的成功：“我们能够在几个月的时间里显著改善我们的用户现场服务。同时，多种多样的检测可能性也大大缩短了我们的3D打印机研发时间。”Victor Valckenaers先生总结道。