光束整形在金屬3D打印領(lǐng)域偶有提及，關(guān)注不多。但知名的研究機(jī)構(gòu)如德國(guó)Fraunhofer IAPT以及美國(guó)LLNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室均在該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行著深入研究，甚至已經(jīng)有打印機(jī)制造商的參與。金屬3D打印要成為重要的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，必須穩(wěn)定可靠，而多方均已認(rèn)識(shí)到光束整形對(duì)于金屬增材制造的價(jià)值。

Fraunhofer IAPT的光束整形研究可將金屬增材制造生產(chǎn)率提高2.5倍，并將工藝穩(wěn)定性提高40%。該機(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人表示，光束整形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的熔池能量輸入。實(shí)際上3D打印技術(shù)參考此前也報(bào)道過(guò)，另一家知名的研究機(jī)構(gòu)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員也在探索高功率激光打印中常用的高斯光束的替代形狀，以規(guī)避打印過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，顏永年教授也曾在演講中提到過(guò)該技術(shù)。

01什么是金屬增材制造的光束整形？

L-PBF技術(shù)當(dāng)前所使用的光斑呈現(xiàn)高斯分布，但這種光束的能量分布并不完美。高斯分布是指根據(jù)高斯函數(shù)形成的分布或曲線，通常稱為正態(tài)分布或鐘形曲線。高斯函數(shù)的形狀是對(duì)稱的，許多激光器在能量強(qiáng)度分布方面都符合這種分布。

高斯分布導(dǎo)致能量分布不均勻，因中間能量過(guò)多，一些低熔點(diǎn)合金元素會(huì)發(fā)生汽化，這會(huì)造成“熔池行為不穩(wěn)定”并損害工藝的穩(wěn)定性。同時(shí)，高斯分布的外邊界通常能量不足，導(dǎo)致熔化不徹底。在L-PBF 3D打印過(guò)程中使用高斯光束，會(huì)導(dǎo)致激光與金屬粉末相遇處產(chǎn)生較大的溫度梯度和復(fù)雜的熔池不穩(wěn)定性，產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸氣，并在構(gòu)建過(guò)程中在金屬基底中形成一個(gè)深腔，即形成鑰匙孔。匙孔會(huì)在熔池中產(chǎn)生氣泡，形成氣孔，導(dǎo)致成品零件的機(jī)械性能下降。

不同激光形狀的溫度分布以及所得橫截面

在這種本身就不穩(wěn)定的情況下，去優(yōu)化工藝，本身就充斥著各種不確定性。平頂輪廓被認(rèn)為可以解決這些問(wèn)題，但這帶來(lái)了熱量不均勻的挑戰(zhàn)。Fraunhofer IAPT則引如了“環(huán)形輪廓”的想法，它可以實(shí)現(xiàn)更一致的溫度分布。實(shí)驗(yàn)證明，光束整形可以增強(qiáng)“工藝穩(wěn)定性”并顯著提高生產(chǎn)率。

激光束輪廓與相應(yīng)應(yīng)用的匹配越高，能量輸入和相關(guān)工藝穩(wěn)定性就越好。這最終會(huì)帶來(lái)更高的工藝效率和生產(chǎn)率，并降低制造成本。

02為什么汽化會(huì)嚴(yán)重影響3D打印過(guò)程

如果熔池穩(wěn)定性下降，就會(huì)出現(xiàn)飛濺效應(yīng)。過(guò)多的能量輸入導(dǎo)致局部汽化增加，因突然膨脹而產(chǎn)生反沖力，將材料垂直推出熔池。當(dāng)與激光束相互作用時(shí)，這些飛濺粒子會(huì)獨(dú)擋激光，從而削弱到達(dá)粉床表面的能量，而且這些飛濺可能落到粉床表面導(dǎo)致零件內(nèi)產(chǎn)生夾雜或者未熔合。以上這些現(xiàn)象無(wú)疑都會(huì)造成缺陷的產(chǎn)生，而且循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的缺陷甚至事故。

熔池周圍的壓力梯度也會(huì)導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生，伯努利效應(yīng)引起的湍流可能是另一個(gè)需要考慮的因素。在激光加熱過(guò)程中，光束路徑周圍會(huì)產(chǎn)生湍流，湍流能將半燒結(jié)顆粒拉回到熔池中。總的來(lái)說(shuō)，飛濺的來(lái)源有兩種情況——熔池內(nèi)和熔池邊沿。

03 L-PBF技術(shù)中的光束整形有哪些選擇？

激光光束整形是將激光光束轉(zhuǎn)換成特定圖案、形狀或強(qiáng)度分布的過(guò)程，以針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化其性能。為了提高激光的能量利用率，常常需要把高斯分布或其他非均勻分布的光束整形成均勻分布，以滿足特定的結(jié)構(gòu)或應(yīng)用要求。激光光束整形技術(shù)在激光領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。

使用激光粉末床熔融(L-PBF)進(jìn)行光束整形有多種選擇——直接在光纖激光器內(nèi)進(jìn)行整形，另一種方法是在光路中使用光學(xué)元件進(jìn)行整形。

對(duì)于前者，一家名為nlight的公司面向金屬增材制造市場(chǎng)推出了所謂可編程的激光器，可以在單模光束和其他光束輪廓之間切換而不需要在光路上使用光學(xué)元件。它所提供的環(huán)形模式幾何形狀光斑可穩(wěn)定大型熔池，減少灰塵和飛濺，提高打印質(zhì)量。離散光束輪廓可以每秒快速選擇30次，為控制熔化和凝固速率、物理微觀結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)變提供了新的自由度。

Fraunhofer IAPT使用nlight公司的AFX-1000可編程激光器獲得的不同激光光斑

Nlight激光剖面圖及不同情況下的打印情況

但是目前流行的做法還是通過(guò)光學(xué)元件進(jìn)行整形。例如，LLML的研究人員將激光穿過(guò)兩個(gè)錐形透鏡及其他光學(xué)器件和掃描器，在中心光束周圍形成環(huán)狀，從而獲得了貝塞爾光束形狀。研究人員使用實(shí)驗(yàn)室的商用3D打印機(jī)，用該實(shí)驗(yàn)裝置從不銹鋼粉末中打印出了立方體和其他形狀。為了研究激光束整形實(shí)驗(yàn)的效果，研究人員使用了高速成像。對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)的觀察表明熔池湍流和飛濺顯著減少。與此同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)使用貝塞爾光束比傳統(tǒng)高斯光束制造的零件更致密，拉伸性能更高。

LLNL研究人員對(duì)光束進(jìn)行整形獲得貝塞爾光束原理圖

高斯光束和貝塞爾光束熔融過(guò)程中的高速快照

通過(guò)結(jié)合簡(jiǎn)單的光學(xué)元件進(jìn)行光束整形來(lái)提高L-PBF 3D打印金屬部件的質(zhì)量，具有更高的成本效益。實(shí)際上這是光束整形技術(shù)選擇的權(quán)衡問(wèn)題，每種選擇都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)。而對(duì)于L-PBF未來(lái)潛在的發(fā)展，稍微偏移的環(huán)形輪廓可能有利于熔池的加熱和冷卻動(dòng)態(tài)。

04 減少飛濺、穩(wěn)定打印，實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)定制

Fraunhofer IAPT研究人員指出，通過(guò)光束整形，L-PBF打印過(guò)程中的飛濺減少了30%至40%，從而減少了構(gòu)建失敗的幾率。與此同時(shí)，還可以對(duì)同一零件的不同位置定制所需微觀結(jié)構(gòu)，從而無(wú)需熱處理或其他表面處理就能使零件獲得諸如內(nèi)部高韌性而表面硬化的特性。這無(wú)疑是通過(guò)其正在研究的可編程激光而獲得的優(yōu)勢(shì)，因其可以在制造過(guò)程中切換光束形狀來(lái)得到所需的能量分布。

除該機(jī)構(gòu)之外，滑鐵盧大學(xué)的研究人員也指出，光束整形被認(rèn)為是一種修改打印部件微觀結(jié)構(gòu)的新方法，研究發(fā)現(xiàn)，橢圓光束可獲得更細(xì)的等軸晶粒、更高的泰勒因子和機(jī)械性能。

05 光束整形，可提高整體制造效率

除可定制微觀結(jié)構(gòu)外，光束整形還可帶來(lái)打印效率的提高。在近似打印參數(shù)條件下，光束整形后打印效率可以提高1.5-2.5倍。Fraunhofer IAPT研究人員指出，如果最大限度減少后處理，提高金屬生產(chǎn)的打印效率，可以將成本降低三倍。

LLNL研究人員同樣指出，L-PBF技術(shù)若若進(jìn)行光束整形后則無(wú)需像使用高斯光束構(gòu)建的部件那樣進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的后處理。

END

通過(guò)光束整形，可以減少高斯光束制造零件通常需要的后處理技術(shù)所涉及的費(fèi)用、縮短時(shí)間，比交替掃描成本更具明顯優(yōu)勢(shì)。堅(jiān)固且無(wú)缺陷的零件生產(chǎn)以及以經(jīng)濟(jì)高效的方式打印大型結(jié)構(gòu)是大勢(shì)所趨。為了使3D打印真正與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容、超越傳統(tǒng)制造方法、避免交替掃描技術(shù)帶來(lái)的集成性挑戰(zhàn)，需要不斷探索光束整形，使其廣泛應(yīng)用于各種金屬的打印，并將其納入商業(yè)3D打印系統(tǒng)。

實(shí)際上，光束整形技術(shù)的研究與商業(yè)化都在加快。根據(jù)Fraunhofer IAPT的說(shuō)法，其正在多家金屬3D打印設(shè)備制造商共同研究，也許不久會(huì)有能夠進(jìn)行光束整形的金屬3D打印機(jī)面世。

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