一文洞悉或将深刻影响L-PBF激光粉末床金属3D打印的光束整形技术

| 3DScienceValley · 2021/10/21

根据3D科学谷的市场观察，德国弗劳恩霍夫 IAPT（增材生产技术研究所）在一个令人惊讶的公告中展示了一个正在进行的项目结果，该项目质疑高斯激光光束轮廓是否真的是L-PBF 激光粉末床金属3D打印的最有效路径。

在光束整形技术的最新发展中，德国弗劳恩霍夫 IAPT与合作伙伴一起显示了通过激光束的改变以更快地进行金属3D打印。

激光束整形用于L-PBF激光粉末床金属3D打印过程© Fraunhofer IAPT

获将深刻影响当前现状

突破当前限制

在光束整形技术的最新发展中，德国弗劳恩霍夫 IAPT与合作伙伴一起显示了通过激光束的改变以更快地进行金属3D打印。

激光光束一般为能量非均匀分布的高斯光束,因此,在诸如激光加工、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光核物理、生物医学工程以等技术领域,因能量非均匀分布将引起局部温度过高而影响激光与物质间的相互作用,进而限制了其应用。因此,需要将高斯光束整形成为能量均匀分布的平顶光束,以消除能量不均引起的不良效果。1

目前,已发展了非球面透镜组整形法、衍射光学元件法、长焦深元件法、液晶空间光调制法以及自聚焦透镜法等多种技术。在众多整形技术中,非球面整形技术具有结构简单、损伤阂值高、易于实现等优点,具有重要的工程应用价值。传统非球面整形系统设计过程比较复杂,需进行大量的数值计算。

通过将 nLIGHT / Optoprim Germany GmbH 公司的环形模式激光器集成到市售的 L-PBF 激光粉末床金属3D打印系统中，并通过 Materialise Control 平台和 Materialise Build Processor 软件的开放系统架构进行控制，以进一步挖掘金属3D打印如何提高质量控制和提升生产力的潜力。

Fraunhofer IAPT 的光束整形技术可以改变我们今天所知的 L-PBF金属3D打印现状，与 Materialise 和 Optoprim 的合作正在进行中，但初步结果令人印象深刻。目前可以清楚地看到激光如何改变其直径以更快地生产所有不同的形状，使生产零件的层看起来更容易、更快。如果光束整形技术可以显着提高 L-PBF 的生产力及其精度和可扩展性得到了更充分的证实，那么这种看似简单的解决方案往往能解决一些最复杂的问题。

根据ASTM International 增材制造咨询服务主管 Shane Collins，这项技术将创造机会，投资回报率将是引人注目的，而且不再因锁孔孔隙而限制激光功率。在加工效率上，譬如说镍合金将能够以 700W -800W/2500 毫米/秒的速度进行加工，层数减少了一半。

根据3D科学谷的了解，合作伙伴中的nLIGHT单模机架式光纤激光器可提供 500 W 至 1200 W 的输出功率，光束质量 M² ≤ 1.1。多模型号提供 500 W 至 1500 W 配置。这些激光器为先进的切割、焊接和增材制造性能提供优质的光束质量。

nLIGHT光纤激光器的重要特性包括：

先进的切割和焊接性能
高反射材料的无差错和稳定加工
自主开发的设计可实现机器稳定的正常运行时间和高效的现场服务
耐受极端环境条件
提供 500 W 至 1500 W 的性能等级
具有可编程脉冲形状和 100 kHz 高调制频率的特定型号。
具有上升和下降时间 <5 µs 和出色光束质量（单模）<1.1 mm*mrad 可用的增材制造选项

或带来更好的质量控制

激光光束整形技术一般是指调制入射激光光束的波前分布,得到所需要的强度分布和传播特性。激光光束整形技术具有提高3D打印质量的可能性，在激光熔化金属的过程中，加工微小位置的金属吸收激光热量熔化并蒸发，在微小孔底部产生高压蒸汽。蒸汽从底部喷射而出导致材料损失，也就是飞溅。整个过程类似烧水不断产生气泡的过程。当采用整形光束时，外环光纤在微孔周边创造了一个更大区域的“缓冲区”，允许高压蒸汽逸出。外环光束有助于创建一个更稳定的深熔焊接过程。

根据3D科学谷的了解，激光功率的调节对于避免干扰粉末床和产生激光遮蔽很重要，根据这一机制能够减少孔的形成，并使3D打印零件更具均匀性。高保真多物理场仿真是对当前实验的补充，研究人员能够以极高的速度捕获粉末床与熔池中发生的事情，为解决打印质量可变性问题提供必不可少的工具。

此前，为了减少粉末床金属3D打印中“飞溅”引起的质量缺陷，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员将仿真结果与高速X射线和光学成像技术在激光熔化增材制造过程中所捕获真实的实验数据进行了比较，开发了一种稳定性标准-“功率地图（power map）”。

“功率地图”可以理解为一种智能化的激光扫描策略，作用是沿激光轨迹调整激光功率输出以稳定熔池，这是建立粉末床激光熔化工艺“智能前馈”的关键组成部分。也就是说，这种将先进的建模和仿真与实验分析相结合的技术，能够“教会”3D打印设备如何有效地创建无缺陷的零件。

根据LLNL, 研究人员发现，这种稳定性标准可以减少或完全消除粉末床激光熔化3D打印零件中的孔、小孔（深而狭窄的熔池）和其他可能导致缺陷的现象出现。在稳定性标准的研究过程中，研究人员还发现，通过多激光束以低功率在粉末上运行，将颗粒融合在一起的金属粉末预烧结方式，可以帮助减少飞溅并最大程度地减少出现大飞溅的“雪球效应”。这种激光扫描策略将提高整体零件的可靠性，并有助于粉末床激光熔化增材制造技术的广泛应用。

那么除了LLNL通过“功率地图”这种智能化的激光扫描策略来控制L-PBF 3D打印质量，Fraunhofer通过激光光束整形技术是否能切实有效的减少飞溅，减少空隙的产生，这项研究还在进行中。3D科学谷将对德国弗劳恩霍夫 IAPT及其合作伙伴的研究进展保持持续关注！

创新与合作

Fraunhofer的研发实力来自于每家研究所独树一帜的建树，还来自于研究所之间的合作，Fraunhofer旗下研究所之间的合作是一种常态，在增材制造领域，Fraunhofer IAPT研究所还参与了位于亚琛的Fraunhofer ILT激光研究所发起的futureAM项目。

futureAM – 新一代增材制造”是于2017年11月推出的，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍。重点呈现从订单到完成金属3D打印组件的数字和物理增值的整体视图，目标是向增材制造的新一代技术迈进。在亚琛Fraunhofer ILT的领导下，另外五个Fraunhofer研究所（IWS，IWU，IAPT，IGD和IFAM）参与该项目。

Fraunhofer的六家研究所于2020年11月结束了futureAM项目，并共同实现了系统技术、材料和过程管理以及连续数字化方面的技术飞跃，从而提高了整个过程链中金属增材制造的效率和成本效益。

ACAM亚琛增材制造中心

亚琛举办的2021年AMTC大会

1. 参考内容来源：高斯光束整形技术研究/中国知网

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