如何利用光束整形來更好的適應(yīng)不同的SLM打印需求

來自：AMLetters

SLM光束整形的原因
傳統(tǒng)的金屬零件要通過鑄造,、鍛造,、焊接,、車,、銑,、刨,、磨,、鉆等諸多工藝制造，但借助金屬3D打印技術(shù)（尤其是SLM選區(qū)激光熔化技術(shù)）,，只需要一個(gè)工序就可以將復(fù)雜的三維模型變成實(shí)實(shí)在在的金屬零件,。（當(dāng)然最終交付使用的零件，往往還需要經(jīng)過相對(duì)簡單的后處理）

SLM的優(yōu)點(diǎn)

• SLM的應(yīng)用范圍非常廣泛,，從大型注塑模具到中等壁厚的渦輪葉片,，再到具有精細(xì)翅片和流體回路結(jié)構(gòu)的熱交換器，尺度跨度大,，適應(yīng)能力強(qiáng),。
• SLM可以打印的材料種類豐富，不銹鋼,、模具鋼,、高溫合金、鋁合金,、鈦合金,、銅合金……
• SLM工藝參數(shù)靈活多樣，針對(duì)不同的表面質(zhì)量和力學(xué)性能要求,，調(diào)整對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)需求,。
  

讓一臺(tái)SLM設(shè)備能兼容這么多功能，其實(shí)并不是一件容易的事情,。就拿工藝參數(shù)來說,，做過工藝的朋友都知道針對(duì)零件不同的特征部位，需要使用不同的打印參數(shù),，以獲得光滑的表面質(zhì)量,、高的加工效率、易去除的支撐結(jié)構(gòu)等等,。但是所有工藝參數(shù)的優(yōu)化其實(shí)都是圍繞著一個(gè)中心主題展開的,，這個(gè)主題就是激光束，更準(zhǔn)確的說是高斯光束,。高斯光束是目前SLM設(shè)備最最主流（99.9%）的激光束類型,，最大的特點(diǎn)是能量分布固定不變。

既然激光束的能量分布是固定的,、靜態(tài)的,，那我們?cè)趺醋屗�適用于不同的結(jié)構(gòu)特征打印呢,？

通常是通過修改激光功率、掃描間距和掃描速度等參數(shù),，控制能量輸入,。但因?yàn)楦咚构馐�固定不變的能量分布，這種調(diào)整的工藝窗口其實(shí)比較窄,，或者說被固定的物理極限限制住了進(jìn)一步優(yōu)化的可能性,。比如，追求高的生產(chǎn)效率,，我們是可以通過提高激光功率和掃描速度來實(shí)現(xiàn),，但這往往是以犧牲其他方面的質(zhì)量來獲得的。

這就好比讓你用一把錘子來蓋房子,，你可以控制的唯一參數(shù)是你用這把錘子擊打東西的力度和位置,。一味的用大力氣，也不一定能讓工作更高效,，反而有可能把房子砸壞,。蓋房子需要的是一套適用于不同場(chǎng)景的專業(yè)工具，而不是一把萬能的錘子,，這世上也沒有萬能的錘子,。

這就是目前SLM領(lǐng)域面臨的問題，你只有高斯光束,，但高斯光束并不是萬能的,。SLM實(shí)際上還有很多潛力沒有被我們挖掘出來，這也是這篇文章題目的由來,，激光整形才是SLM的未來,，它可以改變激光束的直徑和能量分布，為我們提供一套專業(yè)的工具,，而不是扔給你一把錘子,。

光束整形可以同時(shí)在幾個(gè)維度上提高其性能，當(dāng)前的高斯光束模式在提高某一維度的性能的同時(shí),，必然會(huì)降低另外一個(gè)維度的性能,。

如果僅僅是靜態(tài)的調(diào)整光束的能量分布，其實(shí)并不難,，難的是在打印過程中針對(duì)不同的零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)能量分布光束的快速切換,。這也是為什么目前還沒有商業(yè)化成熟案例的原因。

光束整形 如何改善打印過程
要了解光束整形如何改善打印過程,，我們首先必須了解激光如何與粉末相互作用,。
激光與粉末的相互作用實(shí)際上伴隨著三個(gè)物理過程：加熱、熔化、氣化,。SLM過程是一個(gè)深熔焊過程，在這種情況下,，材料不僅會(huì)熔化,，還會(huì)在高功率聚焦中心區(qū)域發(fā)生蒸發(fā)。由于極大的溫度梯度和氣化現(xiàn)象,，熔池會(huì)處于非常激蕩的狀態(tài),。熔池中的強(qiáng)電流會(huì)導(dǎo)致飛濺物噴出，也會(huì)影響熔覆道的形貌,。飛濺物和不平整的熔覆道表面又會(huì)分別遮擋激光和影響下一次的鋪粉效果,，對(duì)打印過程產(chǎn)生不利影響。汽化還會(huì)導(dǎo)致零件內(nèi)部形成孔隙,，影響整體的機(jī)械性能,。在下圖中，你可以看到掃描速度和激光功率如何影響熔覆道的外觀,。在左下角的圖片中,，有明顯的氣孔，而在右下角的圖片中,，熔覆道形貌極其不規(guī)則,。

不同掃描速度的單道橫截面

光束整形概念的提出實(shí)際上就是為了更加精細(xì)的控制熔池，進(jìn)而對(duì)整個(gè)打印過程的質(zhì)量有一個(gè)更好的把控,。

通過改變激光的能量分布,，我們可以對(duì)加熱區(qū)域和熔化區(qū)域做更加精細(xì)的調(diào)控，獲得相對(duì)小的溫度梯度和更加溫和的熔池狀態(tài),，使SLM工藝不再局限于固定不變的深熔焊過程,。所以說光束整形對(duì)于提高生產(chǎn)效率、提高粉末利用率,、提高加工焊接性較差材料的能力來說都至關(guān)重要,。我們會(huì)有更多的加工策略可以選擇，打印產(chǎn)品的各方面質(zhì)量也都會(huì)得到相應(yīng)提高,。

下圖是單參數(shù)優(yōu)化,、雙參數(shù)優(yōu)化、引入光束整形后的更多參數(shù)優(yōu)化的一個(gè)示意圖,，非常形象的表達(dá)了光束整形與現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)對(duì)比,。

激光束整形的參數(shù)空間

光束整形 應(yīng)用案例
實(shí)際上，目前還沒有可以動(dòng)態(tài)改變光束形狀的SLM設(shè)備問世,，所以這個(gè)案例是一個(gè)模擬的案例,。不過這案例中的三種不同光束狀態(tài)都已經(jīng)被單獨(dú)的測(cè)試過了，也就是說，從工藝角度來講,，方案已經(jīng)通了�,，F(xiàn)在面臨的問題主要是軟硬件控制上的問題。

下面這個(gè)熱交換器是測(cè)試光束整形的很好案例,，因?yàn)樗�包含�?種不同的特征結(jié)構(gòu),。

三個(gè)特征：

• 輪廓：零件和翅片的側(cè)表面部位
• 內(nèi)表面：零件的主要實(shí)體結(jié)構(gòu)
• 薄壁翅片：非常薄的壁，橫跨零件的方孔結(jié)構(gòu)
  

輪廓部位要致密,、無孔,、盡量光滑。實(shí)體部位要致密（因?yàn)榭锥磿?huì)影響散熱性能）,，要快速加工（因?yàn)閷?shí)體較多,，是影響加工效率的主要部分）。

翅片部位要致密,、盡量光滑,、在保證連續(xù)性的同時(shí)快速加工（因?yàn)槌崞瑪?shù)量很多，增加了激光空跳的時(shí)間）,。

基于不同特征的不同要求,，提出了下圖所示的不同加工策略。

輪廓：使用標(biāo)準(zhǔn)高斯光束,。高斯光束是目前SLM設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)可獲得的最小光斑的光束類型,。出于這個(gè)原因，使用這種光束來生產(chǎn)具有低粗糙度的非常精細(xì)的表面,。
內(nèi)表面：使用大直徑的平頂光束,。提高加工效率、減少飛濺產(chǎn)生,。
翅片：前面說了,，高斯光束形成的光斑直徑是最小的，光束整形也無法改變這個(gè)物理事實(shí),。但是通過光束整形技術(shù),，我們可以將單個(gè)高斯光束分成三個(gè)具有相同功率的高斯光束。這就使得翅片的加工效率提高了三倍,。

模擬結(jié)果表明,，引入光束整形技術(shù)后，可以減少大約 48% 的單個(gè)零件的打印時(shí)間,，相當(dāng)于降低了大約 30% 的成本,。（針對(duì)此散熱器零件）

結(jié)論
上面的案例主要說明，光束整形可以通過優(yōu)化加工不同結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)整體效率的提升,。你可能在想,，效率在很多情況下并不是最重要的關(guān)注點(diǎn),，僅僅為了減少點(diǎn)加工時(shí)間而引入如此復(fù)雜的工程，有些得不償失吧,！

其實(shí),，生產(chǎn)率的提高只是光束整形優(yōu)勢(shì)的一方面，通過控制熔池行為,，加工目前無法打印的材料,，或許會(huì)對(duì)現(xiàn)有SLM技術(shù)和廠商帶來更大的沖擊。

以上內(nèi)容,，基于EOS官方的技術(shù)博客整理。

點(diǎn)評(píng)
光束整形這個(gè)技術(shù)很好,，但僅僅靠SLM設(shè)備廠商是不行的,，需要激光器和光學(xué)元器件廠商在這方面的成熟產(chǎn)品才可以，以色列Civan公司的動(dòng)態(tài)光束激光器做的不錯(cuò),，佛勞恩霍夫在光束整形方面的研究用的就是Civan公司的動(dòng)態(tài)光束激光器[2],。2022年1月25日，Civan（動(dòng)態(tài)光束激光器廠商）官方宣布已經(jīng)與Smartmove（振鏡系統(tǒng)廠商）聯(lián)合研發(fā)出了與動(dòng)態(tài)光束激光器配套的掃描振鏡系統(tǒng),，并且交付了一個(gè)大型的SLM廠商,。不知這個(gè)未透露名字的大型SLM廠商是不是EOS。

經(jīng)過這次對(duì)光束整形技術(shù)的調(diào)研,，覺得光束整形技術(shù)確實(shí)潛力巨大,，相較于之前論述過的區(qū)域打印技術(shù)（區(qū)域打印 或?qū)㈩嵏睸LM），光束整形好像近在咫尺,，并不是什么天方夜譚,。增材領(lǐng)域的朋友該了解下。

參考文獻(xiàn)：
[1]https://www.eos.info/en/landing-pages/future
3dprinting/landingpage-3dprinting/advanced-tools-for-lpbf
[2]https://blog.civanlasers.com/flexible-fiber-laser-for-rapid-material-processing
[3]https://blog.civanlasers.com/civan-and-smartmove-partner-on-welding-and-additive-manufacturing-solutions