顯著提升工藝穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，弗勞恩霍夫ILT開發(fā)新型LPBF激光光束整形平臺

2024年11月8日，南極熊獲悉，德國研究機構(gòu)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）將在Formnext 2024上展示新型3D打印光束整形技術(shù)。這項技術(shù)是由弗勞恩霍夫團隊與亞琛工業(yè)大學(xué)光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)系（TOS）合作，利用新平臺開發(fā)的一種用于研究復(fù)雜激光光束輪廓的測試系統(tǒng)。

激光光束整形平臺可以為激光粉末床熔合 (LPBF) 3D 打印創(chuàng)建定制的光束輪廓，提高零件質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性和生產(chǎn)率，同時最大限度地減少材料浪費。

弗勞恩霍夫 ILT 的新系統(tǒng)使用硅基液晶 - 空間光調(diào)制器 (LCoS-SLM) 在 3D 打印過程中選擇性地彎曲激光束的相位前沿。據(jù)報道，它可以實現(xiàn)比以前研究中實現(xiàn)的基本環(huán)形和矩形形狀更復(fù)雜的輪廓。這將使研究人員能夠研究 LPBF 中使用的幾乎任何光束輪廓。然后可以將復(fù)雜的輪廓與特定的工業(yè) 3D 打印應(yīng)用相匹配，以獲得最佳結(jié)果并滿足生產(chǎn)需求。  

弗勞恩霍夫 ILT 激光粉末床熔合系的博士生 Marvin Kippels 解釋道：“我們可以有針對性地優(yōu)化 LPBF 工藝�！彼�指出，新平臺將減少材料蒸發(fā)、減少飛濺形成、改善熔池動態(tài)、平滑熔道表面并提高工藝效率。     

目前正在建設(shè)中的新型 LPBF 光束整形系統(tǒng)將于本月晚些時候在 Formnext 2024 上首次展出，位于 11.0 展廳 D31 展位。

△馬文·基佩爾斯 (Marvin Kippels)，弗勞恩霍夫 ILT 激光粉末床熔合系博士生。照片來自弗勞恩霍夫 ILT。

什么是激光光束整形？

許多 LPBF 3D 打印工藝使用的激光功率為 300 至 400 瓦。這些激光器的標(biāo)準(zhǔn)高斯分布對質(zhì)量、效率和可靠性至關(guān)重要的工業(yè)應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。  

弗勞恩霍夫 IAPT L-PBF 負(fù)責(zé)人 Philipp Kohlwes此前曾表示，高斯激光器的高功率集中度會導(dǎo)致能量分布不均勻，中間能量過多。這會導(dǎo)致局部過熱、不必要的材料蒸發(fā)和工藝不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致飛濺和孔隙，損害零件質(zhì)量。這些問題限制了 LPBF 3D打印的可擴展性，限制了可用于大多數(shù)材料的最大激光功率。

Kippels 表示，解決這個問題的一種方法是并行使用多個激光器和光學(xué)系統(tǒng)。但是，成本至少與安裝的系統(tǒng)數(shù)量成正比。此外，這些系統(tǒng)并不總是能夠均勻使用，從而限制了它們在工業(yè)應(yīng)用中的可擴展性。  

為了克服這些挑戰(zhàn)，弗勞恩霍夫 IAPT 正在研究激光光束整形，以提高單個激光器的生產(chǎn)率，這些激光器也可用于多光束3D打印機。在此過程中，在燒結(jié)金屬粉末之前，將激光的高斯輪廓處理成不同的形狀。這些形狀可以促進能量均勻分布，從而在熔池中產(chǎn)生更多能量。Kohlwes 聲稱，這種均勻性可以將金屬 3D 打印的生產(chǎn)率提高 2.5 倍，并將工藝穩(wěn)定性提高 40%。

先前的研究表明，簡單的光束形狀（如環(huán)形、矩形或兩者的組合）可以提高零件質(zhì)量和加工速度。然而，由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，更復(fù)雜的光束形狀的創(chuàng)建在很大程度上仍未得到探索。據(jù)報道，弗勞恩霍夫 IAPT 的新平臺克服了這些限制，代表著可以根據(jù)生產(chǎn)需求定制更復(fù)雜形狀的新一步。

Kohlwes 在去年的采訪中就曾預(yù)示這項功能的潛在價值。他強調(diào)說：“激光光束輪廓與相應(yīng)應(yīng)用的匹配程度越高，能量輸入和相關(guān)工藝穩(wěn)定性就越好。同樣，不存在一種完美匹配所有需求的光束形狀，每種應(yīng)用都有自己的要求�！�

△在 LCoS-SLM 的相位掩模上反射后，激光束強度在傳播過程中重新分布。左側(cè)為初始分布，右側(cè)為目標(biāo)分布。圖片來自 Fraunhofer ILT。

弗勞恩霍夫的新型 LPBF 光束整形平臺

ILT團隊的新平臺利用LCoS-SLM 解鎖幾乎任何用于 LPBF 3D 打印的激光光束輪廓。該測試系統(tǒng)的最大激光功率為 2 kW，還可以評估高功率水平下的光束形狀，從而為特定應(yīng)用匹配理想的輪廓。     

△弗勞恩霍夫 ILT 的新型激光光束整形平臺。照片來自弗勞恩霍夫 ILT。

弗勞恩霍夫研究人員表示，此前對光束整形的研究并未對成形的基礎(chǔ)機制進行深入理解，甚至相關(guān)文獻中出現(xiàn)一些相互矛盾的結(jié)論。因此，研究人員需要對工藝有更基本的了解，然后才能有效地確定激光特性，例如熔化軌道幾何形狀。為此，光束形狀需要針對特定​​應(yīng)用進行優(yōu)化，然后才能被制造商采用。據(jù)報道，F(xiàn)raunhoferIAPT 的新平臺允許客戶和項目合作伙伴利用其靈活性來研究激光光束整形，以優(yōu)化 LPBF 3D 打印。     

Kippels 補充道：“我們?nèi)蕴幱谄鸩诫A段，但我們已經(jīng)看到光束整形為 LPBF 工藝提供的巨大潛力。得益于我們靈活的光束整形，我們可以找到每種工藝的理想分布，以及相關(guān)任務(wù)的最佳工藝參數(shù)�！�

△使用 Fraunhofer ILT 的光束整形平臺創(chuàng)建的新型激光光束輪廓。圖片來自Fraunhofer ILT。

激光光束整形 3D 打印的進展

鑒于光束整形技術(shù)在工業(yè)金屬 3D 打印方面的顯著優(yōu)勢， 多家LPBF 3D 打印領(lǐng)域的參與者正在致力于這項技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化。半導(dǎo)體和光纖激光器專家nLight就是這樣一家公司。今年早些時候，nLight同意向慕尼黑 3D 打印機制造商EOS供應(yīng)其 AFX可編程光束整形激光器。

此次聯(lián)合戰(zhàn)略合作使激光器能夠在 EOS 的金屬 3D 打印機上使用，同時還實施其他基于激光的互補技術(shù)，以增強其用于工業(yè)應(yīng)用的光引擎。nLight的 AFX 激光技術(shù)此前已在EOS 集團旗下公司AMCM的金屬 3D 打印機上使用。   

此外，Equispheres和Aconity3D還利用激光光束整形 3D 打印技術(shù)，實現(xiàn)了比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高出近 9 倍的打印速度。Equispheres 的NExP-1 鋁粉與 Aconity3D 的AconityMIDI+ LPBF 3D 打印機配合使用，使單臺激光器的打印速度超過 430 立方厘米/小時。

這套打印系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)整，采用了具有光束整形功能的IPG YLR 3000/1000-AM 激光器。通過在放大的高斯分布上使用整形光束，減少了過熱現(xiàn)象，并減輕了高速 3D 打印過程中的飛濺形成。