根据3D科学谷，通过将可编程光纤激光器与偏转单元的变焦光学相结合，光斑直径可以在此过程中无限调整，从而以高度动态的方式加倍，凭借其高动态偏转镜，偏转单元还可以非常快速地驱动尖角，监控质量，在工艺领域的每个点都确保了恒定的光斑尺寸和功率密度，从而数倍提高3D打印质量和产量，解决3D打印进入诸如汽车等应用领域产业化所面对的多个挑战，这预示着下一代增材制造时代的到来。
典型的增材制造岐管部件，由铝制成，重量为 558 克。由于体积大，它适用于 AFX 激光器，打印速度平均可提高 5 倍 (a)。结果，总成本降低了 60% (b)。
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生产成本减少一个数量级的目标
3D打印-增材制造涉及多种技术，所使用的材料与所生产的产品一样多样化。激光因其出色的转向性和高功率而成为一种增材制造工具，为实现大批量制造所需的生产力提供了可能性。
多种金属增材制造技术
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自 1996 年被亚琛的Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所发明以来，激光粉末床熔融3D打印(L-PBF) 已经成熟，成为金属增材制造的领先工艺。最初，L-PBF 仅用于原型设计和开发目的。今天，现成的工业 L-PBF 设备可以进行产业化生产，甚至可以加工铜等具有挑战性的材料，应用几乎遍及每一个商业领域，包括医疗、航空航天、汽车和机械。
当前不同类型的金属增材制造技术的加工效率对比
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虽然增材制造的设计自由度对工业制造来说很有吸引力，但目前通过 L-PBF 生产零件的成本和时间仍然被认为太高。通常认为需要在生产成本上减少一个数量级，才会对于在传统流程链上得到广泛采用至关重要。
根据亚琛Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所领导的futureAM面向未来的下一代增材制造项目，当前的增材制造技术已经走过了4个阶段：包括从公众还不清楚3D打印技术能带来什么的第一阶段，到3D打印技术被应用于工业制造的第二阶段，再到3D打印在某些应用领域发挥越来越重要作用的第三阶段，以及到了第四阶段3D打印技术在某些应用层面上因技术本身的发展潜力出现天花板，难以在目前的技术基础上再深度探索新的市场潜力的状态。
增材制造技术飞跃打开新的应用空间
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激光源在这条路径上起着关键作用，根据3D科学谷的了解，通常，它的输出功率可以用高频进行时间调整，而其空间强度分布是固定的。为了提高生产率，必须即时调整光束轮廓以匹配所需的结构尺寸。
为了创建非常精细的结构（例如晶格或薄壁），L-PBF激光粉末床熔融3D打印设备使用具有高斯强度分布的衍射限制单模激光器。在生产大块截面时，这种光束形状会产生严格的速度限制。
图: AFX 激光器采用全光纤光束整形，可以快速切换输出光束的大小和形状。光束轮廓可以在真正的单模和环形之间进行调整，获得介于两者之间的各种形状。当与工件相互作用时，环形和鞍形光束产生的烟灰和飞溅显着减少。
由于光束直径小，光束必须经过较窄的阴影才能到达密集的部分，从而导致区域扫描速度较低。
线扫描速度与激光功率密切相关，激光功率通常限制在几百瓦，因为高斯峰值强度会导致锁孔。这会产生过多的飞溅和烟灰，从而导致构建过程不稳定。
散焦和放大光束都不能解决这些问题，因为保留了高斯光束轮廓。理想情况下，光束轮廓的形状和直径是可调整的，而不会增加精致的自由空间光学设置的复杂性。
初步分析表明，环形和鞍形光束（即中心具有一定强度的环形光束）最适合在熔融粉末内产生均匀的横向温度分布。因此，理想的 L-PBF 激光源将提供单模光束以产生精细特征，并提供一系列具有环形和鞍形的较大光束以产生更大的特征。
全光纤光束整形
能够满足上述所有要求的独特光束整形技术是 nLIGHT 的 Corona 光纤激光器系列的基础，其中包括称为 AFX 的 L-PBF 优化版本，最大输出功率为 1.2 kW。
AFX 馈电光纤有一个单模纤芯（14 µm 模场直径），周围环绕着一个环形纤芯（40 µm 直径）；输出光束在单模和环形纤芯之间的分配可以快速且可重复地改变，这使得光束轮廓可以在真正的单模（高斯）和 40 µm 环之间进行调整，其间具有各种形状。相应的光束直径（二阶矩，D4σ）范围为 15 到 45 µm，导致光束区域的动态范围约为 10 倍。所有 AFX 光束形状都可以通过激光通信接口进行电子控制，就像激光功率或调制速率一样容易，切换时间小于 25 毫秒。
图 :AFX 指数设置，其中顶部图像显示了中央单模核心和环形核心之间指定的功率分配的近场空间分布。
根据3D科学谷《数倍提高3D打印质量和产量，洞悉光斑直径无级可调所重新定义的增材制造时代！》一文，通过光束整形，熔化轨道的几何形状发生了变化，温度调节也发生了变化。在最初的显微镜检查结果中，显示了不同的晶粒尺寸和不同的晶粒纹理。晶粒尺寸和织构对于所3D打印的零部件的行为至关重要——例如影响到了零件的极限抗拉强度或极限应变。
通过选择特定的工艺参数和光束轮廓来战略性地控制晶粒生长，可以微调由此产生的组件属性——例如，可以使组件的特定部分特别坚硬或柔韧，而无需任何额外的后处理，使用复杂的曝光策略也可以在单个组件内改变属性，这是基于光纤激光器和偏转单元的激光束形成所提供的巨大好处。
这克服了此前基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印工艺（LPBF）应用的关键工艺限制：例如熔池中缺乏均匀性和生产速度降低，使用单模激光器的传统 AM 工艺，可能会出现一系列缺陷，例如由于过热而形成小孔、熔道深度不足、凝固熔体周围的粉末剥落区。这些问题通过nLIGHT 可编程 AFX-1000 光纤激光器和 RAYLASE 带变焦轴的 AM MODULE NEXT GEN 偏转单元的产品组合中将获得有效解决。
使用 AFX-1000 光纤激光器，由单模中心和环形光束组成的光束源的强度分布可以瞬间从典型的高斯轮廓切换到六种不同的环形轮廓，两个重叠激光束的不同功率输出产生极具吸引力的均匀能量输入，同时避免飞溅和热裂纹。
加速寿命测试表明，超过 2000 万光束变化时性能没有变化。在到达标准 QBH 兼容输出连接器之前，光束永远不会离开光纤列，从而消除了任何污染或错位。AFX 为所有光束（“索引”）设置提供出色的光束质量，M2 值介于 ~1 和 5 之间，从而产生大的焦深。例如，放大 5 倍（L-PBF 工具的典型值）时，单模设置（索引 0）的瑞利范围（瑞利长度） (ZR) 为 3.4 毫米，最大环形光束（索引 6）增加到 8.1 毫米。此外，AFX 光束在光束腰的每一侧都保持了相当长的距离 (~1/2 ZR) 的形状。因此，AFX 为所有索引设置提供了一个大的处理窗口。
提高 L-PBF 速度和稳定性
德国弗劳恩霍夫 IAPT及几家设备厂商已经证明并量化了 AFX全光纤光束整形在 L-PBF 提高生产力和零件质量方面的优势。具体来说，AFX 显着提高了 L-PBF 构建速率（高达 7.8 倍），同时保持了出色的材料质量。这种无与伦比的优势组合源于 AFX 能够精确控制热沉积到工件中的能力。
与标准单模光束相比，AFX 优化的光束轮廓显着降低了熔池不稳定性，减少了对材料质量和产量产生负面影响的烟灰和飞溅物的产生。反过来，这种优势使激光功率、扫描速度和 L-PBF 构建速率能够显着提高。
3D科学谷了解到最近的结果包括：
Aconity3D 表明，AFX 可以将钛合金的构建速率提高 7.8 倍，从标准单模光纤激光器的 5.4 cm3/hr 到 AFX 的 42.1 cm3/hr。这一增加源于熔化体积增加了 4 倍，扫描速率增加了近 2 倍，同时保持了出色的材料质量（>99.8% 密度）。
慕尼黑工业大学 (TUM) 的研究表明，AFX 可以同时提高不锈钢 316L 的 L-PBF 的构建速率（约 2 倍）和工艺窗口。AFX 能够使用更高的激光功率和更快的扫描速度以及更大的工艺窗口（即在一定功率范围内具有良好的零件质量）。
具体来说，试图增加单模高斯光束的功率会导致不希望的成球或键孔效应，这限制了 L-PBF 的生产率。相比之下，指数设置为 4 – 6 的 AFX 功率可以在没有此类工艺不稳定性的情况下增加，从而实现更高的构建速率。
Fraunhofer IAPT 的粉末床金属小组显示，铝合金 (AlSi10Mg) 的构建速率提高了 3 倍，具有出色的材料质量（>99.9% 密度），同时提供了宽大的工艺窗口。通过进一步优化，预计生产率会进一步提高。
图: 熔池中的温度分布和重新凝固材料的形状很大程度上取决于激光强度分布。高斯光束和平顶光束都导致中心内过热，导致轨道横截面欠佳。相比之下，环形轮廓会产生平坦的温度分布，从而产生宽而平坦的轨道横截面 (a)。AFX 环形光束结合了高扫描速度和较大的舱口间距，与高斯光束相比具有更高的生产率。工艺窗口明显更大，且不降低零件密度。
Fraunhofer ILT 德国亚琛弗劳恩霍夫激光研究所激光粉末床熔融研究小组证明 AFX 提高了镍基合金 625.4 的构建速度、工艺窗口和材料质量。
使用 AFX 提高的构建速度直接导致打印部件的总体成本大幅降低，对于典型的铝制增材制造部件，成本降低了 60%。
材料特性的局部控制
除了生产力和成本优势之外，AFX 还通过控制局部微观结构和材料特性为 L-PBF 制造开辟了一个新维度。
根据3D科学谷《航空航天制造业常见的3D打印合金特性、加工特点及加工挑战》一文，增材制造可以创建定制的双金属和多金属金属。可以在设计中离散地添加材料以优化热或结构特性。可以制造结构护套、法兰、凸台或其他特征的产品，以优化整个子系统的重量。这些可以包括离散金属过渡或功能梯度材料 (FGM)。
无疑，AFX让合金的制造更加自由！
金属增材制造材料
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AFX 独特的模式配置文件可控制熔池内的热梯度和凝固动力学，已发现这决定了材料的微观结构，提供了全新的设计可能性。由于 AFX 光束形状可以即时更改，因此可以局部设计微结构，从而在整个零件中赋予新的功能和优化的特性：
Aconity3D 对 Inconel 718 的 L-PBF 的 AFX 环形模式轮廓与具有相似有效直径的散焦高斯（单模）光束进行了比较。发现 AFX 环形光束可以提高屈服强度和屈服伸长率。这些关键材料属性通常是反相关的，需要进行权衡，但 AFX 已将它们解耦。这种能力提供了新组件功能和性能的潜力，特别是单个零件内的可变材料特性。
慕尼黑工业大学 (TUM) 研究发现，AFX 可以控制不锈钢 316L 的微观结构和材料性能。不同的 AFX 光束形状可以优化熔体轨迹的几何形状和温度分布，从而控制晶粒生长方向和织构，进而决定材料特性。通过对晶粒生长的这种战略控制，可以微调由此产生的组件特性。例如，可以使组件的某些部分特别坚硬或柔韧，而无需任何额外的后处理。使用复杂的暴光策略，也可以在单个组件内改变属性。
增材制造技术用于合金设计与优化
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突破L-PBF 的当前极限
AFX 光纤激光器可显着提高多种金属和合金的 L-PBF 生产率，从根本上改变 L-PBF 制造零件的经济性。关键促成因素是针对 L-PBF 优化的光束形状，包括真正的单模（14 毫米高斯）、紧凑型环（40 毫米直径）以及介于两者之间的多种形状，所有这些都具有出色的光束质量。光束轮廓可直接从馈电光纤快速调谐，无需自由空间光学器件或其他降低性能、影响稳定性（可靠性）的组件。AFX 光纤激光器的功率高达 1.2 kW，并且该技术可扩展到更高的功率和其他光束形状。
虽然此处展示的结果是在 AFX 单激光器设置中实现的，但其优势也适用于多激光器配置（例如，双激光、四激光、八激光等）。这种方法可以将最新的多激光 L-PBF 机器的生产率提高到更高的记录。
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AFX 正在实现新一代的高生产率 L-PBF选区激光熔化金属3D打印工艺，为 L-PBF 成为批量生产的金属增材制造技术铺平了道路。此外，AFX 控制局部微观结构和材料特性的独特能力提供了制造具有以前制造技术无法达到的材料特性、功能和性能的零件的潜力。
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