激光3D打印，开展光束整形研究的必要性分析
在金属增材制造领域，尤其是激光粉末床熔融（LPBF）技术中，提高生产效率、降低成本并同时保持高质量一直是行业内的核心挑战。传统的LPBF机器通常依赖单一的高斯激光光束，这种光束形状在扩展性和生产效率上存在固有局限性。动态光束整形是金属3D打印的新发展，不仅国外EOS公司已推出了业内首款基于光束整形的金属3D打印机，国内某知名龙头企业也已开展了两年多的研究。
传统激光金属3D打印的发展与挑战
现代金属增材制造机器通常采用单模、掺镱（Yb）光纤激光器，并且常常与二轴、三轴甚至四轴的振镜扫描器配对使用。单模激光束的低发散角和卓越的聚焦特性使得即使在长距离和使用小孔径光学元件的情况下，也能实现尽可能小的光斑尺寸，从而制造出精细的特征。在过去的二十五年中，连续波掺镱光纤激光器已成为大多数PBF-LB机器的首选光源。
单模光纤激光器的功率输出与金属3D打印市场的需求保持同步。在2000年代初，LPBF机器开始使用100-200瓦的激光器，然后在2010年代转向400-700瓦的激光器。对于典型的聚焦光斑尺寸，100微米直径/500瓦单模光纤激光器被确定足以满足大多数工艺和材料的需求。
到了2020年，设备制造商能够通过使用变焦透镜增大激光在粉末上的光斑，或者使用扫描器的去焦功能，来实现1千瓦单模激光器的应用。这些策略通过增加扫描间距来提高生产率，有时这还会与增加层厚相结合。
为了提高生产效率，设备制造商开始在每台机器上增加更多的激光器。然而，简单地增加更多激光器虽然可以提高生产效率，但随着激光器数量的增加，生产效率的提升会逐渐减少，同时总拥有成本也会增加。此外，将众多激光器集成到机器中也变得复杂、设备变得笨重。行业面临的挑战是明确的，为了使LPBF迈向更高生产率、更低成本、更可靠和可重复的过程，必须找到一种新的激光方法。
动态光束整形技术的兴起
动态光束整形技术的出现，正是为了解决上述挑战。它允许激光器在同一设备内快速（微秒级时间尺度）切换光束轮廓，无需牺牲光束质量。这一技术的核心在于能够根据需要选择适当的光束形状，以适应不同的应用和构建需求。
早期的研究集中在实验各种光束形状和强度分布，以“平坦”熔融材料下的光束足迹的温度场。平顶光束轮廓似乎是显而易见的选择。然而，当高斯轮廓被转换成其他强度轮廓时，光束质量会迅速下降。在单模光束和更大的非高斯轮廓之间切换是期望的，但光束质量不能因此而受到太大影响。
为不同几何形状选择不同的光束形状
应用光束整形来局部优化微观结构，提高涡轮叶片的性能
nLIGHT公司在2020年推出的Corona AFX激光器是首个能够在单模高斯和六种其他光束轮廓之间切换的光纤激光器，其中一些光束轮廓的尺寸是原来的三倍。AFX激光器可以作为真正的高斯光束运行，但与常规激光器不同，它们有能力将功率转移到外环。随着相关设置的增加，功率以阶梯方式从核心转移到外环。当更多功率转移到环上时，功率密度或单位面积的功率会降低。
动态光束整形技术的优势与应用
动态光束整形技术通过允许在同一激光器内快速切换光束轮廓，为PBF-LB带来了显著的优势。以下是该技术的几个关键优势及其在具体应用中的体现：
· 提高生产率：通过使用更大的光斑和更宽的熔道间距，动态光束整形能够更高效地进行大面积制造，从而整体提高生产率。
动态光束整形的经济优势
· 降低成本：动态光束整形不仅提高了生产率，还显著降低了零件成本。一项研究比较了使用1千瓦AFX激光器与使用1千瓦标准激光器的LPBF零件成本。结果显示，通过动态光束整形实现的生产率增益，使得使用单个AFX激光器的零件成本相当于四个标准激光器。这主要是由于AFX激光器能够通过优化光束形状来减少激光开启时间，同时保持高质量。
nLIGHT AFX动态光束整形改变了PBF-LB的成本曲线
· 优化熔池稳定性：环形光束通过将强度分布在环的外围，解决了高斯光束中中心强度和热量过剩的问题。这种分布使得熔池的温度分布更加平坦和宽广，从而提高了熔池的稳定性。稳定的熔池有助于减少缺陷，如球化或凸起，这些缺陷在高强度激光下可能出现。此外，环形光束还可以实现更高的扫描速度和更大的层厚度，进一步加速生产并降低成本。
高斯光束、平顶光束和环形光束的光束轮廓、温度响应以及由此产生的熔池形状
环形束加工显示AlSi10Mg的烟尘和飞溅减少了75%
· 扩大工艺窗口：动态光束整形技术还通过提供更大的工艺窗口来增强PBF-LB的适用性。工艺窗口是指在不牺牲质量的前提下，可以成功制造零件的一组工艺参数。环形光束通过更均匀地分布热量输入并降低整体能量密度，使得使用超过1千瓦功率的LPBF机器成为可能。这显著扩大了可用于不同材料系统的工艺参数
高斯光束和AFX光束的处理窗口
END
一个显而易见的结论是，光束整形策略确实可以给金属3D打印的质量控制和低成本制造带来好处。随着国内外企业对该技术的积极研究和应用，预示着动态光束整形将成为推动金属3D打印技术迈向更高效率、更低成本、更可靠和可重复过程的关键力量，展现出广阔的发展前景和巨大的市场潜力。3D打印技术参考认为，一旦国内设备商推出了基于光束整形的金属3D打印机，很有可能会引起新一波的市场增长和技术研究热潮。
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