金属3D打印光束整形：两大路线正面PK

作为金属3D打印技术的最新发展开展光束整形技术研究的企业越来越多研发的进程也越来越深。3D打印技术参考注意到国外由EOS引领该技术发展同时还有Aconity3D和DMG Mori等行业领导者在国内铂力特、华曙高科、中航迈特、大族聚维、汉邦激光等均已推出该解决方案。但需要指出的是这些企业实现光束整形的方式则分成了两大阵营。光束整形的两大路线“直接更换激光器光源内置型” 和 “传统激光器外场光束调控后置整形型” 是如今3D打印设备商开发光束整形金属3D打印技术的两大路线它们各有优缺点。外场光束调控路线该路线的核心思想是继续使用性能稳定、功率成熟的单模光纤激光器输出标准高斯光束然后在其输出光路中加入特定的光学元件如衍射光学元件、折射光学元件、微透镜阵列、空间光调制器等来改变光束的能量分布。该路线属于静态光束整形意味着光束整形结构在工作过程中保持不变。后置整形技术路线原理加入的光学元件不同得到的光斑形状也不同。以环形光斑整形为例光学系统构成可参考如下单模光纤激光器 → 准直镜 → 光束开关/监控 → 光束整形器DOE等 → 振镜 → F-θ 场镜 → 加工平面根据打印幅面不同光学器件会有调整。使用轴棱镜将光束形状从高斯光束转换为环形光束该技术路线的优势是灵活性高、成本可控、设备升级便利但却存在光学损耗、增加系统复杂性对校准、稳定性和防尘污染要求更高。目前大多数开发商选择的是这条路线同时也是他们快速实现该技术的重要途径只要做好质量控制就可以以设备的低成本优势获得更多市场。光源内置技术路线该技术路线是指在激光器内部就集成了光束整形功能无需额外的后置光学组件。它又被称为动态光束整形激光器内包含特殊的谐振腔实现晶体腔内整形可以实现更复杂、更灵活的光束形状。目前最为知名的是nLIGHT公司推出的Corona® AFX®被EOS、Aconity3D等国外3D打印设备商所选择。光束整形功能集成在激光器内部减少了外部光学组件的需求使得整个系统更加紧凑光路也更加稳定减少了外部光学元件引入的误差和损耗。同时也降低了维护成本和复杂性。但这种路线的缺点也非常明显成本更高。除此之外该技术路线实际上对激光器制造商的要求更高目前的市场选择相对有限。除了nLIGHT3D打印技术参考注意到传统激光器制造龙头IPG所推出的IPG YLR 3000/1000-AM也具备内置的光束整形能力它将传统的高斯光束重塑为更可控的平顶光束或其他椭圆形轮廓从而实现更高效、更高质量的3D打印。需要指出的是光源内置路线并非简单的直接替换传统激光器还需要考虑系统的兼容性激光器自身的光束整形能力可能仍需要搭配后置光学器件取得更好的光斑形状。光束整形研究的部分先行者光束整形金属3D打印如今已经成功实现了商业化但同样是经历了多年研究。虽然简单描述为光束整形但整形出的形状却还包括多种类型每一种类型都得需要研究清楚最终才实现商业转化。早在2021年劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) 将激光塑造成了贝塞尔光束发现可以减少孔隙形成和“钥匙孔”缺陷。这些光束对热沉积提供更好的控制从而减少熔池中的湍流和飞溅。与使用高斯光束打印的零件相比使用贝塞尔光束打印的零件表现出更致密、更强、更稳定的特性。来自燕山大学的研究人员早在2023年就对光束整形技术及其在金属激光增材制造中的应用进行了综述分析了不同光斑形状下能量分布特征、熔池状态和零件质量对于技术人员系统认识这项技术提供了巨大帮助。此外弗劳恩霍夫下属增材生产技术研究所IAPT、激光技术研究所 (ILT)亚琛工业大学、滑铁卢大学等均开展了光束整形金属3D打印的大量研究。3D打印的铝合金歧管尺寸较大采用AFX激光器打印速度提升了5倍成本降低了60%国内广西大学也开展了关于该技术的研究该校龙雨教授团队首创发明了光束整形、光束复合和多激光协作的新方法获得了广西科学技术奖科技发明奖一等奖。这些研究都统一指向光束整形技术给金属3D打印带来很多好处● 更快的打印速度——增加扫描间距和层厚度可减少构建时间。● 更高质量的零件——自适应光束整形可提高熔池稳定性和冶金性能。● 降低生产成本——生产效率的提高可与锻造和数控加工等传统制造方法相媲美。弗劳恩霍夫ILT在开发新的光束轮廓讨论3D打印技术参考注意到在经历几年的技术消化之后国内金属3D打印光束整形技术在2026年几乎呈现集体爆发态势。笔者认为技术的最新发展诚然是原因之一更大的驱动力在于谁都不想拒绝更高的成型效率因为意味着更低的成本和更强的市场竞争力。就目前的发展现状来看外场光束调控路线是金属3D打印设备商开展该技术研发的主要选择且已有多家可选择的供应商是LPBF技术最易量产落地的解决方案。注本文由3D打印技术参考创作未经联系授权谢绝转载。#金属3D打印 #光束整形欢迎转发千人行业专家交流Q群248112776延伸阅读1.光束整形和区域打印谁是金属3D打印的未来2.EOS光束整形推动金属3D打印进入下一个时代工艺要素首次展示3.华曙高科光束整形3D打印机在国内外实现多台销售工艺获新突破4.铂力特的最新3D打印技术创新藏在同台的4台同型号设备里