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，針對不同的表面質(zhì)量和力學(xué)性能要求，調(diào)整對應(yīng)的工藝參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)需求。
  

讓一臺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)都是圍繞著一個中心主題展開的，這個主題就是激光束，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，那我們怎么讓它適用于不同的結(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。

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

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不同的零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行對應(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)際上伴隨著三個物理過程：加熱、熔化、氣化。SLM過程是一個深熔焊過程，在這種情況下，材料不僅會熔化，還會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，熔池會處于非常激蕩的狀態(tài)。熔池中的強(qiáng)電流會導(dǎo)致飛濺物噴出，也會影響熔覆道的形貌。飛濺物和不平整的熔覆道表面又會分別遮擋激光和影響下一次的鋪粉效果，對打印過程產(chǎn)生不利影響。汽化還會導(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)而對整個打印過程的質(zhì)量有一個更好的把控。

通過改變激光的能量分布，我們可以對加熱區(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)的一個對比。

激光束整形的參數(shù)空間

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

下面這個熱交換器是測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�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)性的同時快速加工（因?yàn)槌崞瑪?shù)量很多，增加了激光空跳的時間）。

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物理事實(shí)。但是通過光束整形技術(shù)，我們可以將單個高斯光束分成三個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% 的單個零件的打印時間，相當(dāng)于降低了大約 30% 的成本。（針對此散熱器零件）

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，或許會對現(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
光束整形這個技術(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公司的動態(tài)光束激光器做的不錯，佛勞恩霍夫在光束整形方面的研究用的就是Civan公司的動態(tài)光束激光器[2]。2022年1月25日，Civan（動態(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)出了與動態(tài)光束激光器配套的掃描振鏡系統(tǒng)，并且交付了一個大型的SLM廠商。不知這個未透露名字的大型SLM廠商是不是EOS。

經(jīng)過這次對光束整形技術(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