一些研究已經(jīng)明確證明，光束整形可以提高激光粉末床熔融（LPBF）增材制造工藝的效率和生產(chǎn)率。

最近，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）和德國亞琛工業(yè)大學(xué)正在共同努力，為優(yōu)化LPBF增材制造工藝創(chuàng)建一種先進的測試系統(tǒng)，讓他們能夠靈活地研究功率高達2kW的復(fù)雜激光束分布，這一創(chuàng)新可用于為工業(yè)合作伙伴定制解決方案。該平臺旨在將LPBF工藝更高效、更穩(wěn)健地集成到工業(yè)生產(chǎn)中，以滿足不斷增長的應(yīng)用需求。

高斯光束的缺點

目前，在許多LPBF工藝中通常使用大約300~400W的激光功率。當(dāng)前使用的標(biāo)準(zhǔn)高斯光束顯示出了明顯的缺點：功率高度集中在光束中心，這會導(dǎo)致局部過熱和不希望的材料蒸發(fā)以及工藝不穩(wěn)定，這些都會因飛濺和孔隙而損害組件的加工質(zhì)量。這些問題極大地限制了LPBF工藝的可擴展性，這意味著LPBF系統(tǒng)中可用的激光功率（通常高達1kW）無法適用于大多數(shù)材料。

Fraunhofer ILT激光粉末床熔融部的博士生Marvin Kippels說：“可以并行使用多臺激光器和光學(xué)系統(tǒng)來加快LPBF的工藝過程，但是整個系統(tǒng)的總體成本也會相應(yīng)地成比例增高。”另外，在實際應(yīng)用中這些系統(tǒng)并不總是能夠均勻使用，這意味著生產(chǎn)率的提高不能與功率的增加成比例。因此，一種有前景的方法是提高單束工藝的生產(chǎn)率，并且這種方法也可以轉(zhuǎn)移到多光束系統(tǒng)。

光束整形帶來新的可能性

先前的研究表明，即使是矩形、環(huán)形或兩種高斯分布組合的簡單光束形狀，都能對加工質(zhì)量和加工速度產(chǎn)生積極結(jié)果。但是由于缺乏必要的系統(tǒng)技術(shù)，到目前為止，更復(fù)雜的光束形狀的潛力在很大程度上尚未得到探索�，F(xiàn)在Fraunhofer ILT的研究人員已經(jīng)開始展開全面研究，情況正在發(fā)生改變。

Kippels解釋說：“由于LPBF工藝的動力學(xué)特性，在加工過程中，激光束和材料之間的相互作用非常復(fù)雜，模擬仿真只能提供實際熔池行為的指示。”Kippels目前正在建立一種使用LCoS-SLM（硅基液晶-空間光調(diào)制器）的新型系統(tǒng)，這將使研究人員能夠研究LPBF工藝過程中的幾乎任何光束輪廓。

該創(chuàng)新系統(tǒng)的激光功率高達2kW，是在LPBF工藝中以高功率水平測試新光束形狀的平臺，這使得可以為單一LPBF任務(wù)確定合適的系統(tǒng)技術(shù)。Kippels解釋說：“我們可以有針對性地優(yōu)化LPBF工藝。”他特別提到了減少材料蒸發(fā)、減少飛濺形成、減少熔池動態(tài)、平滑熔道表面以及通過調(diào)整熔道幾何形狀來提高工藝效率。

靈活的光束輪廓滿足特定要求

目前，系統(tǒng)技術(shù)通常能夠生產(chǎn)特定的光束形狀，如環(huán)形或頂帽形。然而，這些光束形狀的選擇并不是基于對潛在過程機制的深入理解。只有從根本上理解工藝過程，才能在研究中具體確定哪些調(diào)整可以實現(xiàn)既定目標(biāo)，例如某個熔化軌跡形狀。

這意味著必須為應(yīng)用開發(fā)和優(yōu)化光束形狀，理想情況下可以在公司實施，而不需要LCoS-SLM技術(shù)。得益于Fraunhofer ILT這個創(chuàng)新的研究平臺，其工業(yè)客戶和項目合作伙伴，已經(jīng)可以從研究激光束工具的前所未有的靈活性中受益。

Marvin Kippels介紹說：“我們?nèi)匀惶幱谄鸩诫A段，但我們已經(jīng)看到了光束整形可以為LPBF工藝提供的巨大潛力。沒有一種完美的光束形狀；每種應(yīng)用都有自己的要求。由于靈活的光束整形，我們可以為每個過程找到理想的光束分布，為所討論的任務(wù)找到最佳的工藝參數(shù)。”

圖1：Marvin Kippels是Fraunhofer ILT激光粉末床熔融部的博士生，目前正在構(gòu)建一個靈活的LPBF系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用空間光調(diào)制器（SLM）生成定制的光束輪廓。（圖片來源：Fraunhofer ILT）

圖2：在目前正在構(gòu)建的系統(tǒng)中（上圖），LCoS-SLM可以通過選擇性地彎曲激光束的相位前沿，在LPBF過程中生成幾乎任何光束輪廓（下圖）。（圖片來源：Fraunhofer ILT）