光束整形技术对提高金属3D打印质量、获得定制组织、降低成本具有重要价值

光束整形在金属3D打印领域偶有提及，关注不多。但知名的研究机构如德国Fraunhofer IAPT以及美国LLNL国家实验室均在该技术领域进行着深入研究，甚至已经有打印机制造商的参与。金属3D打印要成为重要的工业化生产技术，必须稳定可靠，而多方均已认识到光束整形对于金属增材制造的价值。

Fraunhofer IAPT的光束整形研究可将金属增材制造生产率提高2.5倍，并将工艺稳定性提高40%。该机构的负责人表示，光束整形技术能够实现最佳的熔池能量输入。实际上3D打印技术参考此前也报道过，另一家知名的研究机构劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员也在探索高功率激光打印中常用的高斯光束的替代形状，以规避打印过程中出现的缺陷，颜永年教授也曾在演讲中提到过该技术。

L-PBF技术当前所使用的光斑呈现高斯分布，但这种光束的能量分布并不完美。高斯分布是指根据高斯函数形成的分布或曲线，通常称为正态分布或钟形曲线。高斯函数的形状是对称的，许多激光器在能量强度分布方面都符合这种分布。

高斯分布导致能量分布不均匀，因中间能量过多，一些低熔点合金元素会发生汽化，这会造成“熔池行为不稳定”并损害工艺的稳定性。同时，高斯分布的外边界通常能量不足，导致熔化不彻底。在L-PBF 3D打印过程中使用高斯光束，会导致激光与金属粉末相遇处产生较大的温度梯度和复杂的熔池不稳定性，产生强烈的蒸气，并在构建过程中在金属基底中形成一个深腔，即形成钥匙孔。匙孔会在熔池中产生气泡，形成气孔，导致成品零件的机械性能下降。不同激光形状的温度分布以及所得横截面

在这种本身就不稳定的情况下，去优化工艺，本身就充斥着各种不确定性。平顶轮廓被认为可以解决这些问题，但这带来了热量不均匀的挑战。Fraunhofer IAPT则引如了“环形轮廓”的想法，它可以实现更一致的温度分布。实验证明，光束整形可以增强“工艺稳定性”并显著提高生产率。

激光束轮廓与相应应用的匹配越高，能量输入和相关工艺稳定性就越好。这最终会带来更高的工艺效率和生产率，并降低制造成本。

如果熔池稳定性下降，就会出现飞溅效应。过多的能量输入导致局部汽化增加，因突然膨胀而产生反冲力，将材料垂直推出熔池。当与激光束相互作用时，这些飞溅粒子会独挡激光，从而削弱到达粉床表面的能量，而且这些飞溅可能落到粉床表面导致零件内产生夹杂或者未熔合。以上这些现象无疑都会造成缺陷的产生，而且循环往复，导致更加严重的缺陷甚至事故。

熔池周围的压力梯度也会导致飞溅产生，伯努利效应引起的湍流可能是另一个需要考虑的因素。在激光加热过程中，光束路径周围会产生湍流，湍流能将半烧结颗粒拉回到熔池中。总的来说，飞溅的来源有两种情况——熔池内和熔池边沿。

激光光束整形是将激光光束转换成特定图案、形状或强度分布的过程，以针对特定应用优化其性能。为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匀分布的光束整形成均匀分布，以满足特定的结构或应用要求。激光光束整形技术在激光领域中发挥着极其重要的作用。

使用激光粉末床熔融(L-PBF)进行光束整形有多种选择——直接在光纤激光器内进行整形，另一种方法是在光路中使用光学元件进行整形。

对于前者，一家名为nlight的公司面向金属增材制造市场推出了所谓可编程的激光器，可以在单模光束和其他光束轮廓之间切换而不需要在光路上使用光学元件。它所提供的环形模式几何形状光斑可稳定大型熔池，减少灰尘和飞溅，提高打印质量。离散光束轮廓可以每秒快速选择30次，为控制熔化和凝固速率、物理微观结构和热应变提供了新的自由度。

Fraunhofer IAPT使用nlight公司的AFX-1000可编程激光器获得的不同激光光斑

Nlight激光剖面图及不同情况下的打印情况

但是目前流行的做法还是通过光学元件进行整形。例如，LLNL的研究人员将激光穿过两个锥形透镜及其他光学器件和扫描器，在中心光束周围形成环状，从而获得了贝塞尔光束形状。研究人员使用实验室的商用3D打印机，用该实验装置从不锈钢粉末中打印出了立方体和其他形状。为了研究激光束整形实验的效果，研究人员使用了高速成像。对熔池动力学的观察表明熔池湍流和飞溅显著减少。与此同时，研究发现使用贝塞尔光束比传统高斯光束制造的零件更致密，拉伸性能更高。

LLNL研究人员对光束进行整形获得贝塞尔光束原理图

高斯光束和贝塞尔光束熔融过程中的高速快照

通过结合简单的光学元件进行光束整形来提高L-PBF 3D打印金属部件的质量，具有更高的成本效益。实际上这是光束整形技术选择的权衡问题，每种选择都有其独特的优点和挑战。而对于L-PBF未来潜在的发展，稍微偏移的环形轮廓可能有利于熔池的加热和冷却动态。

Fraunhofer IAPT研究人员指出，通过光束整形，L-PBF打印过程中的飞溅减少了30%至40%，从而减少了构建失败的几率。与此同时，还可以对同一零件的不同位置定制所需微观结构，从而无需热处理或其他表面处理就能使零件获得诸如内部高韧性而表面硬化的特性。这无疑是通过其正在研究的可编程激光而获得的优势，因其可以在制造过程中切换光束形状来得到所需的能量分布。

除该机构之外，滑铁卢大学的研究人员也指出，光束整形被认为是一种修改打印部件微观结构的新方法，研究发现，椭圆光束可获得更细的等轴晶粒、更高的泰勒因子和机械性能。

除可定制微观结构外，光束整形还可带来打印效率的提高。在近似打印参数条件下，光束整形后打印效率可以提高1.5-2.5倍。Fraunhofer IAPT研究人员指出，如果最大限度减少后处理，提高金属生产的打印效率，可以将成本降低三倍。

LLNL研究人员同样指出，L-PBF技术若若进行光束整形后则无需像使用高斯光束构建的部件那样进行昂贵且耗时的后处理。

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通过光束整形，可以减少高斯光束制造零件通常需要的后处理技术所涉及的费用、缩短时间，比交替扫描成本更具明显优势。坚固且无缺陷的零件生产以及以经济高效的方式打印大型结构是大势所趋。为了使3D打印真正与工业标准兼容、超越传统制造方法、避免交替扫描技术带来的集成性挑战，需要不断探索光束整形，使其广泛应用于各种金属的打印，并将其纳入商业3D打印系统。

实际上，光束整形技术的研究与商业化都在加快。根据Fraunhofer IAPT的说法，其正在多家金属3D打印设备制造商共同研究，也许不久会有能够进行光束整形的金属3D打印机面世。