金属3D打印光束整形：两大路线正面PK

作为金属3D打印技术的最新发展，开展光束整形技术研究的企业越来越多，研发的进程也越来越深。

3D打印技术参考注意到，国外由EOS引领该技术发展，同时还有Aconity3D和DMG Mori等行业领导者；在国内，铂力特、华曙高科、中航迈特、大族聚维、汉邦激光等均已推出该解决方案。

但需要指出的是，这些企业实现光束整形的方式则分成了两大阵营。

光束整形的两大路线

“直接更换激光器（光源内置型）” 和 “传统激光器+外场光束调控（后置整形型）” 是如今3D打印设备商开发光束整形金属3D打印技术的两大路线，它们各有优缺点。

1.外场光束调控路线

该路线的核心思想是继续使用性能稳定、功率成熟的单模光纤激光器（输出标准高斯光束），然后在其输出光路中，加入特定的光学元件（如衍射光学元件、折射光学元件、微透镜阵列、空间光调制器）等，来改变光束的能量分布。

该路线属于静态光束整形，意味着光束整形结构在工作过程中保持不变。

后置整形技术路线原理

加入的光学元件不同，得到的光斑形状也不同。以环形光斑整形为例，光学系统构成可参考如下：单模光纤激光器 → 准直镜 → （光束开关/监控） → 光束整形器（DOE等） → 振镜 → F-θ 场镜 → 加工平面，根据打印幅面不同，光学器件会有调整。

使用轴棱镜光束整形

该技术路线的优势是灵活性高、成本可控、设备升级便利；但却存在光学损耗、增加系统复杂性，对校准、稳定性和防尘污染要求更高。

目前，大多数开发商选择的是这条路线，同时也是他们快速实现该技术的重要途径，只要做好质量控制，就可以以设备的低成本优势获得更多市场。

2. 光源内置技术路线

该技术路线，是指在激光器内部就集成了光束整形功能，无需额外的后置光学组件。

它又被称为动态光束整形，激光器内包含特殊的谐振腔，实现晶体腔内整形，可以实现更复杂、更灵活的光束形状。目前最为知名的是nLIGHT公司推出的Corona® AFX®，被EOS、Aconity3D等国外3D打印设备商所选择。

光束整形功能集成在激光器内部，减少了外部光学组件的需求，使得整个系统更加紧凑，光路也更加稳定，减少了外部光学元件引入的误差和损耗。同时，也降低了维护成本和复杂性。但这种路线的缺点也非常明显，成本更高。

除此之外，该技术路线实际上对激光器制造商的要求更高，目前的市场选择相对有限。

除了nLIGHT，3D打印技术参考注意到，传统激光器制造龙头IPG，所推出的IPG YLR 3000/1000-AM也具备内置的光束整形能力，它将传统的高斯光束重塑为更可控的平顶光束或其他椭圆形轮廓，从而实现更高效、更高质量的3D打印。

需要指出的是，光源内置路线并非简单的直接替换传统激光器，还需要考虑系统的兼容性，激光器自身的光束整形能力，可能仍需要搭配后置光学器件取得更好的光斑形状。

光束整形研究的部分先行者

光束整形金属3D打印如今已经成功实现了商业化，但同样是经历了多年研究。虽然简单描述为光束整形，但整形出的形状却还包括多种类型，每一种类型都得需要研究清楚，最终才实现商业转化。

早在2021年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) 将激光塑造成了贝塞尔光束，发现可以减少孔隙形成和“钥匙孔”缺陷。这些光束对热沉积提供更好的控制，从而减少熔池中的湍流和飞溅。与使用高斯光束打印的零件相比，使用贝塞尔光束打印的零件表现出更致密、更强、更稳定的特性。

来自燕山大学的研究人员早在2023年就对光束整形技术及其在金属激光增材制造中的应用进行了综述，分析了不同光斑形状下能量分布特征、熔池状态和零件质量，对于技术人员系统认识这项技术提供了巨大帮助。

此外，弗劳恩霍夫下属增材生产技术研究所（IAPT）、激光技术研究所 (ILT)，亚琛工业大学、滑铁卢大学等均开展了光束整形金属3D打印的大量研究。

3D打印的铝合金歧管正造成本对比

国内广西大学也开展了关于该技术的研究，该校龙雨教授团队首创发明了光束整形、光束复合和多激光协作的新方法，获得了广西科学技术奖科技发明奖一等奖。

这些研究都统一指向光束整形技术给金属3D打印带来很多好处：

● 更快的打印速度——增加扫描间距和层厚度可减少构建时间。

● 更高质量的零件——自适应光束整形可提高熔池稳定性和冶金性能。

● 降低生产成本——生产效率的提高可与锻造和数控加工等传统制造方法相媲美。

弗劳恩霍夫ILT在开发新的光束轮廓

讨论

3D打印技术参考注意到，在经历几年的技术消化之后，国内金属3D打印光束整形技术在2026年几乎呈现集体爆发态势。笔者认为，技术的最新发展诚然是原因之一，更大的驱动力在于谁都不想拒绝更高的成型效率，因为意味着更低的成本，和更强的市场竞争力。

就目前的发展现状来看，外场光束调控路线，是金属3D打印设备商开展该技术研发的主要选择，且已有多家可选择的供应商，是LPBF技术最易量产落地的解决方案。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。#光束整形#‍ #3D打印#