光纖激光器光束整形技術(shù)，能夠顯著提升金屬激光粉末床熔融技術(shù)的打印速度和工件打印質(zhì)量，并大幅降低成本。

圖1：AFX激光采用了全光纖光束整形技術(shù)，可以快速切換輸出光束的大小和形狀。光束輪廓可以在單模、環(huán)形以及兩者之間的任意一種形狀之間進(jìn)行切換。當(dāng)與工件相互作用時(shí)，環(huán)形光束和鞍形光束產(chǎn)生的煙塵和飛濺明顯減少。

增材制造涉及多種技術(shù)，其所使用的材料與所生產(chǎn)的產(chǎn)品一樣，具有多樣性。激光，由于其出色的可操控性和高功率，已經(jīng)成為增材制造的一種有效工具，并且為增材制造的大批量生產(chǎn)提供了可能性。

自1996年問世以來，激光粉末床熔融技術(shù)（L-PBF）已經(jīng)發(fā)展成熟，成為了金屬增材制造的一種領(lǐng)先工藝。材料的逐層熔化使工件設(shè)計(jì)獲得了前所未有的自由度。最初，L-PBF僅用于原型設(shè)計(jì)和開發(fā)；如今，現(xiàn)成的工業(yè)化L-PBF打印機(jī)甚至可以打印像銅這樣具有挑戰(zhàn)性的材料。此外，激光粉末床熔融技術(shù)打印的產(chǎn)品幾乎能應(yīng)用到各個(gè)商業(yè)領(lǐng)域，包括醫(yī)療、航空航天、汽車和機(jī)械等。

雖然增材制造在工件設(shè)計(jì)自由度方面有著巨大的吸引力，但是L-PBF的生產(chǎn)成本和時(shí)間成本仍然太高。只有將L-PBF的生產(chǎn)成本和時(shí)間成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，才有望使增材制造在傳統(tǒng)工藝鏈上得到廣泛應(yīng)用。

激光源對(duì)降低增材制造的成本起著關(guān)鍵作用。通常情況下，激光的輸出功率可以在時(shí)域上高頻調(diào)整，但其空間強(qiáng)度分布是固定的。為了提高生產(chǎn)效率，光束輪廓必須進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以匹配工件局部所需要打印的結(jié)構(gòu)尺寸。

為了打印非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)（如格柵或薄壁結(jié)構(gòu)），L-PBF打印機(jī)使用的是具有高斯強(qiáng)度分布的單模激光。當(dāng)打印大塊截面時(shí)，這種光束形狀會(huì)限制打印速度，因?yàn)椋?/span>

- 由于光束直徑較小，打印時(shí)光束每次掃描的間距比較小，導(dǎo)致面掃描速度較低。

- 線掃描速度與激光功率密切相關(guān)。激光功率通常被限制在幾百瓦，因?yàn)檫^高的高斯峰值強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致熔池穿孔，產(chǎn)生過量的飛濺和煙塵，使打印過程不穩(wěn)定。

使光束散焦和放大光束都不能解決這些問題，因?yàn)檫@兩種方法并沒有改變高斯光束的形狀。理想情況下，光束輪廓在其形狀和直徑上是相適應(yīng)的，而不會(huì)給精密的自由空間光學(xué)裝置增加復(fù)雜性。初步分析表明，環(huán)形光束和鞍形光束（即中心有一定強(qiáng)度的環(huán)形光束）最適合在熔化的粉末中產(chǎn)生均勻的橫向溫度場分布（見圖1）。因此，理想的L-PBF激光源，應(yīng)該既能提供單模光束用于打印精細(xì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能提供一系列較大的環(huán)形光束和鞍形光束，用于打印更大的特征。

全光纖光束整形

能夠滿足上述所有要求的獨(dú)特光束整形技術(shù)，是nLIGHT公司的Corona系列光纖激光器的基礎(chǔ)，該系列中包括一款專為L-PBF應(yīng)用優(yōu)化的激光器AFX，其最大輸出功率為1.2kW。

AFX的導(dǎo)光光纖有一個(gè)單模纖芯（模場直徑14μm），單模纖芯被一個(gè)環(huán)形纖芯（直徑40μm）包裹。輸出光束可以在單模纖芯和環(huán)形纖芯之間任意地分配比例，因此從光纖中既可以輸出單模高斯光，也可以輸出直徑為40μm的環(huán)形光，同時(shí)也可以輸出介于兩者之間的任意一種形狀的光束（見圖2）。

因此，輸出光束的直徑（光束直徑定義為強(qiáng)度分布的二階矩，D4σ）可以在15~45μm之間調(diào)節(jié)，從而使光束面積的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大約10倍。值得一提的是，所有AFX的輸出光斑形狀，都可以通過激光通信接口進(jìn)行切換（就像調(diào)節(jié)激光功率或重復(fù)頻率一樣簡單），切換時(shí)間小于25ms。

圖2：AFX通過設(shè)置“Index”值來切換不同的光束形狀輸出。上圖：激光功率在中心單模纖芯和環(huán)形纖芯之間不同功率配比形成的近場形狀剖面圖。下圖：計(jì)算得到的光束直徑（D4σ）和相應(yīng)的M2值。

加速壽命測試表明，光束形狀切換2000萬次的情況下，光束性能仍沒有發(fā)生變化。光束在到達(dá)QBH輸出連接器之前從未離開過光纖，這就消除了任何污染或錯(cuò)位。AFX保證了每種形狀的光束（每種光束通過設(shè)置“Index”值來切換）輸出都有優(yōu)異的光束質(zhì)量，其M2值在介于1-5之間，從而產(chǎn)生了較大的聚焦深度。例如，在5倍聚焦的情況下（L-PBF應(yīng)用的典型值），單模光（Index值設(shè)為0）的瑞利距離（ZR）為3.4mm，而最大環(huán)形光束（Index值設(shè)為6）的瑞利距離則增加到8.1mm。由此可見，AFX輸出光在束腰兩側(cè)較長的距離內(nèi)（~1/2 ZR），仍能保持其光斑形狀。因此，AFX為每一種光束形狀都提供了較大的加工窗口。

提高L-PBF的打印速度和穩(wěn)定性

一些L-PBF工具集成商和研究室，已經(jīng)證明并量化了AFX在提高L-PBF生產(chǎn)率和打印件質(zhì)量方面，所具備的優(yōu)勢(shì)。具體而言，AFX不僅能顯著提高L-PBF的打印速度（提高達(dá)7.8倍），而且還能增加工藝窗口，并且保持了優(yōu)異的打印質(zhì)量。這種無可比擬的優(yōu)勢(shì)組合，源于AFX精確控制工件熱沉積的能力。與標(biāo)準(zhǔn)的單模光束相比，AFX優(yōu)化后的光束輪廓，極大地減少了熔池的不穩(wěn)定性，減少了對(duì)材料質(zhì)量和產(chǎn)量有負(fù)面影響的煙塵和飛濺的產(chǎn)生。這一優(yōu)勢(shì)反過來又使激光功率、掃描速度和L-PBF打印速度得到大幅提升。

最近獲得的結(jié)果如下：

- Aconity3D公司證實(shí)，AFX可以將鈦合金的打印速度提高7.8倍，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖激光的打印速率為5.4cm3/hr，而AFX能將打印速度提高到42.1cm3/hr。打印速度的提高包括兩方面：第一，熔融區(qū)域的體積提高4倍；第二，掃描速度提高了兩倍。打印速度提高的同時(shí)，也保持了優(yōu)異的打印質(zhì)量（密度>99.8%）。[1]

- 2021年，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University of Munich，TUM）的Grünewald等人表明，AFX可以同時(shí)提高316L不銹鋼的L-PBF打印速度（約兩倍）和工藝窗口。AFX能夠使用更高的激光功率和更快的掃描速度，并具有更大的工藝窗口（即在一定的功率范圍內(nèi)保持良好的打印件質(zhì)量）。具體來說，試圖提高單模高斯光束的功率會(huì)導(dǎo)致不良的球化或小孔效應(yīng)，這就限制了L-PBF的生產(chǎn)效率。相比之下，Index的值設(shè)為4-6時(shí)，AFX功率增加的同時(shí)不會(huì)引起球化或小孔效應(yīng)，因此可以提高打印效率。[2]

-德國研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer IAPT的Powder Bed Metal研究團(tuán)隊(duì)，將一種鋁合金（AlSi10Mg）的打印速度提高了3倍，并且在保持優(yōu)異打印質(zhì)量（密度>99.9%）的同時(shí)，也提供了較寬的工藝窗口（見圖3）。隨著進(jìn)一步的優(yōu)化，打印速度將會(huì)進(jìn)一步提高。[3]

- 2022年，F(xiàn)raunhofer ILT（激光技術(shù)研究所）的Laser Powder Bed Fusion研究團(tuán)隊(duì)中的Lantzsch等人證明，AFX提高了鎳基合金（型號(hào)625）的打印速率、工藝窗口和打印質(zhì)量。

圖3：熔池內(nèi)的溫度分布和重新凝固的材料形狀，在很大程度上取決于激光強(qiáng)度分布。（a）高斯光束和平頂光束都會(huì)導(dǎo)致中心過度加熱，從而產(chǎn)生次優(yōu)的軌道截面。相比之下，環(huán)形光束產(chǎn)生了平坦的溫度分布，形成寬而平的軌道橫截面；（b）AFX環(huán)形光束結(jié)合了高掃描速度和較大的掃描間距；相比高斯光束，提高了打印速度，增加了工藝窗口，同時(shí)保持了優(yōu)異的打印質(zhì)量（打印件的密度不會(huì)降低）。

AFX通過提高打印速度，使打印零件的總體成本大幅降低，如圖4所示，對(duì)于一個(gè)典型的鋁制增材制造工件，其成本能夠降低60%。

圖4：（a）一種典型的增材制造工件，由鋁制成，重量558g；（b）由于其體積較大，適用于AFX激光打印，打印速度平均提高5倍，總體成本降低了60%。

材料特性的局部控制

除了生產(chǎn)力和成本優(yōu)勢(shì)外，AFX還通過控制局部微觀結(jié)構(gòu)和材料性能，為L-PBF制造開辟了新的維度。AFX獨(dú)特的激光輸出模式，可以控制熔池內(nèi)的熱梯度和凝固動(dòng)力學(xué)過程，因此可以控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，為打印工件提供了全新的設(shè)計(jì)可能性。因?yàn)锳FX光束的形狀可以動(dòng)態(tài)改變，微觀結(jié)構(gòu)可以在局部進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以為整個(gè)打印件賦予新的功能和優(yōu)化特性：

-Aconity3D公司比較了AFX環(huán)形光與單模高斯光（兩者有效直徑相同）對(duì)L-PBF打印鎳基合金（型號(hào)為Inconel 718）性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，AFX環(huán)形光可以提高打印件的屈服強(qiáng)度和屈服伸長率。這些關(guān)鍵的材料性能通常是反相關(guān)的，需要進(jìn)行權(quán)衡，但AFX解除了兩者的反相關(guān)。這種能力為優(yōu)化打印件的功能和性能提供了潛力，特別是可以在同一打印件中實(shí)現(xiàn)可變的材料特性。[5]

- TUM的研究團(tuán)隊(duì)表明，AFX可以控制不銹鋼316L的微觀結(jié)構(gòu)和材料性能。不同的AFX光束形狀，能夠優(yōu)化熔融軌道的幾何形狀和溫度曲線，從而控制晶粒生長的方向和紋理，進(jìn)而決定材料的性能。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Wudy教授指出，通過對(duì)晶粒生長的戰(zhàn)略性控制，“打印件的性能可以被微調(diào)”。例如，在不需要任何后處理的情況下，可以使打印件的某個(gè)局部特別堅(jiān)硬或柔韌。使用復(fù)雜的激光輻照方法，單個(gè)打印件中也可以實(shí)現(xiàn)性能的改變。[6]

消除L-PBF的限制 

AFX光纖激光器提高了L-PBF打印眾多金屬和合金的生產(chǎn)率，大大提高了L-PBF的經(jīng)濟(jì)效益。特別需要指出的是，L-PBF優(yōu)化的光束形狀，可以輸出直徑為14μm的單模高斯光，也可以輸出直徑為40μm的環(huán)形光，同時(shí)也可以輸出介于兩者之間的任意一種形狀的高質(zhì)量光束。光束形狀可直接從光纖端口快速切換，光路中沒有降低光束質(zhì)量、穩(wěn)定性或可靠性的部件。AFX光纖激光器的輸出功率最高可達(dá)1.2kW，而且該技術(shù)可擴(kuò)展到更高的功率，也可以實(shí)現(xiàn)其他光束形狀輸出。

雖然本文給出的結(jié)果是在AFX單激光器配置下實(shí)現(xiàn)的，但其優(yōu)點(diǎn)也適用于多激光器配置（如雙激光器、四激光器、八激光器等）。多激光器配置可以顯著提高L-PBF的生產(chǎn)效率。AFX提高了L-PBF的性能，為L-PBF成為主要的金屬增材制造技術(shù)鋪平了道路。此外，AFX具有控制局部微觀結(jié)構(gòu)和材料性能的獨(dú)特能力，可以打印出其他方式無法實(shí)現(xiàn)的高質(zhì)量工件。

參考文獻(xiàn)：

1. See https://youtu.be/TsumIEibbk8 (see results at time 49:45).

2. J. Grünewald, F. Gehringer, M. Schmöller, and K. Wudy, Metals, 11, 12, 1989 (2021); https://doi.org/10.3390/met11121989.

3. See https://youtu.be/bvqBRtGxwCY.

4. See https://youtu.be/OVemoWOtu5w.

5. See https://youtu.be/OjUj23tH4fg.

6. See https://youtu.be/wbMEf1i28Ko.

作者：Rob Martinsen，Andreas Rudolf，Dahv Kliner

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