光束整形下的无支撑金属3D打印探索，取得新进展！

2026年5月25日

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3D打印技术参考注意到，山东大学的一研究团队于不久前使用中航迈特的光束整形金属3D打印机MT280，以IN718镍基高温合金为材料，成功实现25°悬垂结构的无支撑打印。

这一发现，为金属3D打印进入光束整形发展新阶段后的无支撑工艺探索提供了思路。

环形光打印的零件试样，(a) 用较高能量密度值制造的试样；(b) 用较高激光功率制造的试样

研究指出，采用环形光束实现无支撑打印的本质在于，环形光能量分布更加均匀，进而能够降低打印过程中的温度梯度和热应力，从而能更为有效地控制翘曲，实现大角度无支撑打印。

在传统高斯光束下，悬垂角度低于45°的结构通常需要添加支撑。这是因为，传统高斯光能量分布不均，中心强度远高于边缘，造成熔池窄而深，并向下沉入粉末形成“挂渣”；同时，高斯光束因能量高度集中，导致峰值温度极高，熔池强烈流动和不稳定，进一步增加热应力和变形风险。

高斯光束通常在悬垂角度低于45°时添加支撑

相比高斯光，环形光能量分布更均匀，熔池更宽、更浅；且峰值功率密度显著降低，熔池内部流动更平稳，避免了高斯光束下因强烈反冲压力造成的剧烈凹陷和飞溅。虽然熔池重力仍会导致熔池在悬垂区下沉并形成“挂渣”，但能够在不加支撑的情况下逐层堆叠至目标高度，且不会引发灾难性的翘曲或层间断裂，保证了宏观成型性。

两种光斑打印悬垂结构对比：a.环形光有两组完整打印；b、c为高斯光，均未能完成完整打印

笔者发现，研究人员细致对比了两种光斑形成的熔池深宽比、峰值温度以及结构变形量。

环形光与高斯光熔池深宽比结果是0.16和0.57，峰值温度为3182K与3749K，可以看出两者的差异非常明显。

从上图中可以看出，环形光具有更好的打印效果，主要体现在完整性和变形量上。但仔细观察，环形光并非在所有工艺组合下都成功完成了打印。而且，环形光打印的悬垂顶部也有变形，最大变形量为0.18mm，但相比高斯光束都没有完成打印，其技术潜力已经得到体现。

另一方面，研究还评估了悬垂结构的下表面质量，环形光一如既往的在此方面没有优势，粗糙度超过40μm。

两种光斑打印的悬垂结构顶部变形量对比

从这些数据得出结论，环形光即便也存在变形，且粗糙度大，但相比高斯光仍然显示出在实现无支撑打印方面的重要潜力。它显著抑制了翘曲变形，能够完成完整构建，待工艺进一步优化，或将有更大改善。

该研究使用的设备为中航迈特的光束整形3D打印机MT280，其搭载500瓦激光器，采用外置光学整形元件，最终实现环状光束。转换后的光束直径由70um变为167um，能量分布更加均匀。

笔者注意到，中航迈特在2026年推出了配备无级变束能力的最新装备，而且在今年TCT展会上，也有专门的供应商提供这一技术。

据笔者查询，该技术可以在0.4秒内自适应完成高斯光、环形光与点环光斑模式的动态变换，并可根据不同工艺阶段与构件特征自适应能量分配。

这似乎已经与nLIGHT公司推出的AFX激光器所能实现的功能相接近。后者能实现环形光束的25ms内快速切换，光束尺寸范围从约85微米的高斯光束到250微米的环形光束，可精确控制能量分布。

中航迈特指出，相比高斯光设备，环形光整体生产效率可提升约30%。但环形光应用的一大难题是大光斑导致的表面粗糙问题，目前主流的方案是使用高斯光打印轮廓，环形光打印填充，而无极变束技术或能对该问题的解决提供帮助。

此外，之前3D打印技术参考还报道过EOS实现无支撑打印的方法，其通过实时测量打印过程每一层的温度，实时调整激光能量输入以减少热应力，相关技术覆盖工艺策略与控制系统。

随着金属3D打印技术发展进入光束整形时代，新的探索才刚刚开始。

将其与多激光结合，可放大效率提升效益；动态热管理与智能工艺调整，可在新形势下进行无支撑打印方案的探索；小高斯光斑+大环形光斑的结合，既保障表面质量又提升效率，但两者如何结合又有多种形式。

对于多数厂商来说目前还只能关注其中一两种技术，而谁能最先形成“有专利+有数据+有客户案例”的完整方案，就能在技术发展的新形势下让自己的打印服务成本更低、让综合解决方案更有卖点。

论文：Laser powder bed fusion of a support-free overhang structure using a donut-shaped laser beam

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