燕山大学 l 光束整形技术在金属激光增材制造中的应用（一）

| 3DScienceValley · 2024/01/29

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根据《下一代设备！为LPBF成为批量生产的3D打印技术铺平道路（高达 7.8 倍效率提升），洞悉光束整形的应用技术逻辑》一文，不同的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。

近期，根据高能束加工技术及应用，燕山大学机械工程学院塑形工程系董国疆教授和他的团队在Journal of Materials Research and Technology国际杂志上发表文章Beam shaping technology and its application in metal laser additive manufacturing: A review

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.08.037

调节激光束能量的分布

01 导读

激光增材制造(AM)技术以其制造精度高、柔性强、自动化程度高等优点，广泛应用于汽车、医疗、航空航天等领域的关键部件(如火箭燃料喷嘴、卫星天线支架、人体植入物等)的制造。该技术可以通过材料结构和性能的集成制造，大大提高打印件的组合性能。目前激光增材制造技术普遍采用聚焦高斯光束中心高、边缘低的能量分布。然而，它往往在熔池中产生较高的热梯度，导致随后产生孔隙和粗晶粒。光束整形技术是解决这一问题的一种新方法，它通过调节激光束能量的分布来提高打印效率和打印质量。

02 简介

与传统的减法和等效制造相比，金属增材制造技术具有制造周期时间短、加工精度高、材料利用率高、零件整体性能好等优点。因此，金属增材制造技术广泛应用于航空航天、武器装备、核电、生物医药和汽车等行业。基于离散堆叠原理，金属增材制造利用能量源(如激光、电弧或电子束)使粉末或线材熔化，然后逐层堆叠，从而制造出目标部件。该技术在生产小批量、复杂结构或个性化零件方面具有显著的优势。那些传统工艺不能或难以加工的材料也适合用增材制造方法制备。由于上述优点，增材制造技术引起了国内外学者的广泛关注。在过去的几十年里，增材制造技术得到了突飞猛进的发展。由于激光增材制造设备的自动化和灵活性，以及高激光能量密度和高加工精度的综合优势，在上述三种金属增材制造技术中，激光增材制造技术发展最为迅速。

激光金属增材制造技术可进一步分为LPBF和DED。图1给出了典型的LPBF和DED过程示意图。LPBF工艺，也被称为选择性激光熔化(SLM)，可以通过在粉末床表面以固定路径扫描高能激光束来制造复杂的金属部件。然后，粉末以一层一层的方式融化和凝固。DED工艺主要包括两个打印工艺：激光熔化沉积和激光送丝增材制造。这两种技术都可以通过同步喂入金属粉末或金属丝直接制造和修复金属零件。与LPBF相比，DED具有更高的生产率和更大的制造面积。此外，该方法还可以方便地制备复合材料和功能梯度材料。然而，DED打印的零件表面质量总是很差，需要后续处理来提高目标部件的尺寸精度。

图1.(a) LPBF;(b) DED

在当前的激光增材制造过程中，聚焦的高斯光束通常是能量源。然而，由于其特殊的能量分布(中心高，边缘低)，很可能造成高热梯度和熔池的不稳定。导致打印件成形质量不佳。此外，熔池中心温度过高，会使低熔点金属元素汽化，进一步加剧LBPF过程的不稳定性。因此，孔隙率增加，打印件的力学性能和疲劳寿命明显降低。高斯光束的能量分布不均匀也导致了激光能量利用效率低和能量浪费过多。为了获得更好的打印质量，学者们开始探索通过修改激光功率、扫描速度、粉末层厚度、扫描策略等工艺参数来补偿高斯光束的缺陷，从而控制能量输入的可能性。由于这种方法的处理窗口非常窄，固定的物理限制限制了进一步优化的可能性。例如，提高激光功率和扫描速度可以实现高制造效率，但往往以牺牲打印质量为代价。近年来，通过光束整形策略改变激光能量分布可以显著提高制造效率和打印质量，这可能成为激光增材制造技术未来的发展方向。光束整形技术一般是指调整输入光束的波前分布，以获得所需的光强分布和传播特性。光束整形技术在金属增材制造技术的应用，如图2。

图2.光束整形技术在激光增材制造中的应用

03 传统高斯光束打印的不足

在金属激光增材制造技术中，激光束的能量分布对打印件的质量影响很大。虽然高斯光束在金属激光增材制造设备中得到了广泛的应用，但它在增材制造过程中存在打印质量不稳定、能量利用率低、工艺窗口窄等严重的缺点。其中，粉末的熔化过程和金属激光增材过程中熔池动力学与粉末层厚度密切相关。由于粉末飞溅和剥蚀带的存在，实际粉末层厚度比理论预期的要高。其次，蒸汽柱造成了主要的向后喷射飞溅物。金属蒸气撞击后壁形成飞溅，沿垂直于熔池凹陷区域的前壁喷射(如图3)。由于激光束与飞溅物之间复杂的相互作用，喷射出的飞溅物会严重影响后续粉末层的打印质量。此外，熔池中钥匙孔的形成也严重影响打印件的质量。打印件内部的孔隙主要是由锁孔不稳定引起的。

图3.光束整形技术中缺陷的形成机理

04 总结

光束整形技术可以在多个维度同时实现性能提升，这与高斯光束提高一个维度的性能必然以牺牲其他维度为代价不同。光束整形技术可以影响熔池温度分布和流动特性的精确调节。即通过控制激光能量分布，获得温度梯度较小的相对稳定的熔池。适当的激光能量分布有利于抑制气孔和溅射缺陷，提高金属零件的激光打印质量。它可以实现生产效率和粉末利用率的各种提高。同时，光束整形技术为我们提供了更多的加工策略，极大地解放了工艺设计的自由，这是激光增材制造技术的革命性进步。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.08.037

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