根据3D科学谷《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》一文的分析，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。
本期，3D科学谷与谷友一起来通过Raylase的带有变焦轴的光学偏转单元来洞悉用于增材制造方面，高斯激光光束时代与激光束整形时代的差异。
光束整形
© RAYLASE
更有效解决应用领域的挑战
汽车产业化领域的挑战
© 3D科学谷白皮书
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。
无极调节光斑直径
RAYLASE 为3D打印-增材制造机器制造商提供光纤激光器和偏转单元这两个组件，通过灵活的光束整形扩展激光粉末床熔化 (LPBF) 的范围。由于对七种不同光束质量的高度动态访问和精确的光束控制，质量和生产率可以提高很多倍。
光斑直径无极可调
© RAYLASE
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。
根据3D科学谷的市场观察，可以在几毫秒内切换单模和环形模式的可编程光纤激光器与 RAYLASE 的带有变焦轴的光学偏转单元相结合，目前正在彻底改变3D打印-增材制造。
正如慕尼黑工业大学的研究所证明的那样，可编程光纤激光器与带有变焦轴的光学偏转单元解决了 3D 打印中激光粉末床熔化 (LPBF) 的许多已知问题，例如原先所面对的熔池缺乏均匀性和生产速度降低的挑战。
由于对各种光束质量和高精度光束控制的高度动态访问，可编程光纤激光器与带有变焦轴的光学偏转单元两者的结合在基于激光和基于粉末床的金属增材制造工艺中提高了数倍的质量和产量。
技术跳跃性发展
根据3D科学谷的市场观察，此前，增材制造的创新步伐一直在加快。多年来，尖端激光技术的使用一直是这一趋势的一部分。根据AMPOWER，在过去的2021年，L-PBF激光选区金属熔化技术在一致性和控制零件质量合格性方面做了进一步的改进，作为制造业的开拓者，环模激光器在所有焊接领域都享有盛誉。但 3D 打印中的 LBPF（激光粉末床熔合）工艺还需要更多。
在这个领域，一种可以在单模和环模之间灵活切换的新型激光器提供了从窄到宽的一系列光束质量。最近，增材制造中激光材料加工领域的技术加速发展趋势更加明显，通过两种激光器协同工作的方式是如此独特且充满潜力，以至于结果在AM-增材制造领域引起了轰动。
Katrin Wudy教授是慕尼黑工业大学 (TUM) 激光增材制造 (LBAM) 教授的激光增材制造专家和教授，目前正在研究 nLIGHT 的 AFX-1000 光纤激光器和RAYLASE 的 AM MODULE NEXT GEN 光学偏转装置。她的研究重点是光束轮廓对微结构形成的影响。
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。
技术进化带来的新机遇
根据3D科学谷的深度了解，单模和环模的可变使用可提高生产率，激光在基于增材制造中暴露的几何形状的曲折图案中移动，这里的目的是在表面上建立特定的方格，就像棋盘上的方格一样。激光束轨道越宽，它们被填充的速度就越快，反过来，组件制造过程的速度就越快。工件的边缘应尽可能干净，并且可以使用激光器中心光纤的窄单模光束非常有效地进行后处理。
可编程光纤激光器和光偏转单元的相互作用可以提高激光束熔化的生产率，同时改善金属部件的微观结构。通过巧妙的曝光策略也可以实现局部组件属性。
激光技术在增材制造中占有很大的份额。对于 LPBF（激光粉末床熔合）工艺，具有灵活切换单模和环模功能的新型激光器可提供从细到宽的不同光束质量。与带有变焦轴的光学偏转单元的组合现在将彻底改变 AM 行业并解决诸如熔池缺乏均匀性和生产速度降低等问题。慕尼黑工业大学、N-Light 激光器 Optoprim 的德国销售合作伙伴和偏转装置制造商 Raylase 已为此目的展开合作。
根据3D科学谷的市场观察，不仅仅是慕尼黑工业大学，Fraunhofer IAPT与 Materialise 和 Optoprim 的合作正在进行中，初步结果令人印象深刻。目前可以清楚地看到通过光束整形，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。
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