干货总结：激光3D打印光束整形，光斑类型及熔化特点系统性介绍
基于高斯光束的激光器在市场上较为常见，技术成熟度高，成本相对较低，这使得高斯光束加工在金属材料领域应用广泛。高斯光束具有良好的聚焦性能，可以实现高密度的能量集中，这对于金属材料的焊接、切割和增材制造等工艺尤为重要。基于高斯光束的L-PBF 3D打印工艺也相对成熟，设备稳定，操作简便。
但研究已经指出，高斯光束的中心能量较高，而边缘能量较低，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。这种不均匀的能量分布易导致低熔点合金元素汽化，造成“熔池行为不稳定”，损害工艺的稳定性。这造成了诸多问题，如熔化不彻底、匙孔效应、飞溅效应、工艺效率较低等，进而导致孔隙率增加、加工参数敏感以及影响微观结构和力学性能等。
高斯光束、平顶光束、贝塞尔光束和环形光束能量分布
为了克服高斯光束在L-PBF 3D打印中的缺点，研究人员正在探索光束整形技术。例如，引入平顶轮廓或环形轮廓的光束可以实现更一致的温度分布，增强工艺稳定性并显著提高生产率。实验证明，光束整形可以减少熔池湍流和飞溅，提高零件的致密性和拉伸性能。此外，光束整形还可以提高打印效率并降低制造成本。
在激光粉末床熔融3D打印中，光束整形的光斑类型多种多样，这些光斑类型通过不同的光学元件和整形方法实现，以优化打印过程中的热分布、提高打印质量和效率。
椭圆形光束
椭圆形光束通过圆形高斯光束整形获得，可细分为纵向椭圆形和横向椭圆形两种光束，这意味着其光强分布在两个方向上是不均匀的。因此在不同方向上的加热效果、打印效率也不同，同时还会影响相邻两层之间的连接强度。
高斯光束和椭圆光束形状的测量空间强度分布的数值拟合
与高斯光束相比，椭圆光束（特别是横向椭圆光束）具有较低的能量梯度，这有助于稳定熔池并减少飞溅现象，同时有助于促进等轴晶以及细小晶粒的形成。但是，由椭圆光束诱导的熔道高度与粉末层厚度相同，这可能影响新粉末层与先前沉积材料之间的连接强度。
平顶光束
与高斯光束相比，平顶光束在工作表面上的激光能量分布更为均匀，这显著降低了熔池内部的热梯度。熔池更倾向于以热传导模式被加热。在热传导模式下，晶粒倾向于外延生长，因此更容易制备出较大的晶粒。平顶光束较大的光斑极大地提高了激光打印的效率，且均匀的激光能量有利于节省能源。由于平顶光束的能量分布均匀，即使在较宽的激光功率范围内，也能获得更高密度的部件。平顶光束产生的熔体流动比高斯光束更为平缓，能够有效地抑制蒸气羽流的形成，从而显著提升工件的表面质量。此外，平顶光束所提供的完全均匀的激光能量分布还能延长熔池的保持时间，这对于促进内部气体的排出、优化打印过程具有积极意义。
高斯激光到平顶激光的能量强度分布转变（来自华中科技大学）
平顶光束虽然在形成更理想的熔池和提高加工效率方面表现优异，但它并非没有挑战。首先，其在传播过程中难以保持稳定的形状。其次，平顶光束的均匀强度分布特性主要局限于光学系统的成像位置或焦点附近。
贝塞尔光束
在激光粉末床熔融技术中，采用更大的粉末层厚度旨在显著提升制造效率。然而，尽管提高激光能量密度可增大高斯光束的熔深，但同时也引入了高能量梯度导致的打印缺陷问题。为克服这一挑战，研究者们开始探索贝塞尔光束，其独特的点环光强分布特性为实现大熔深、高熔池稳定性和低温度梯度提供了新途径。
贝塞尔光束具有中心核的传播不变性，即非衍射特性，以及更大的焦深和自修复能力。自修复特性意味着在传播路径中遇到障碍物后，贝塞尔光束能够自我重建，从而减少LPBF过程中飞溅物对打印质量的负面影响。进一步的研究表明，贝塞尔光束的中心光斑促进了更深的熔深形成，而环形激光则有效抑制了飞溅和气孔的产生。与高斯光束相比，贝塞尔光束在打印过程中展现出更稳定的熔池蒸气角度，从而减少了飞溅、熔合缺陷和气孔，提升了部件的密度和表面质量。
在强度和延展性方面，贝塞尔光束和高斯光束制备的部件表现相当，但随入射能量密度的变化趋势存在差异。贝塞尔光束在更宽的参数范围内能够生成更致密的部件，并在其熔池中更容易形成等轴晶粒，这有助于提升部件的整体性能。
总的来说，贝塞尔光束凭借其独特的光学特性和在LPBF技术中的优异表现，为提升打印效率、稳定性和部件质量提供了新的解决方案。
环形光束
环形光束能量分布在中心较低，边缘较高，呈现出环形轮廓，也被称为逆高斯光束。与高斯光束相比，环形光束中心较低的激光强度会产生较浅的熔池，这意味着先前沉积材料的熔化速率会降低，甚至可能几乎不熔化。因此，金属层之间的连接强度会大大减弱。
高斯光束与环形光束对比
与其他只有一次加热和冷却过程的激光光束不同，逆高斯光束的环形轮廓使熔池经历了两次加热和冷却过程，熔池内部的温度低于周围环形轮廓的温度。研究发现，当使用环形光束替代高斯光束时，无粉末固结区的宽度显著减小，这有利于提高3D打印部件的质量。此外，在使用环形光束进行打印时，金属颗粒会逃逸到熔池的后方，这与使用高斯光束打印时金属颗粒向前飞溅形成溅射物的现象不同。
高斯光束、环形光束、贝塞尔光束熔化过程组织形貌仿真
环形光束独特的热温场和熔池特性对晶粒结构和缺陷的形成具有显著影响。有研究认为这种光束形状可以在熔池周围形成一个“缓冲区”，允许高压蒸汽逸出，减少飞溅和孔隙的产生；也有研究发现环形光束熔池横截面顶部的弧形形状导致零件表面出现波纹结构，这种结构使得后续粉末层厚度不均匀，进而导致粉末中的热传递不均匀，从而产生更多的结合缺陷和气孔。环形光束还对零件的晶粒结构有显著影响，可获得相比高斯光束更小的晶粒。
END
当前，光束整形3D打印技术正在成为新的研究热点和重要的发展方向之一。本文内容，3D打印技术参考系统总结了当前可用于3D打印的激光光斑类型及打印特点，特别查找展示了各类光斑的形状及能量分布特点，为本技术领域的技术人员整体上了解光束整形技术提供了概括性的资料。#激光 #金属3D打印 #光束整形 #环形光斑
本文部分参考：Beam shaping technology and its application inmetal laser additive manufacturing: A review
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