高功率13KW 动态光束激光器，实现速度提升千倍的CBC金属3D打印技术

导读：近日，德国研究机构Fraunhofer IWS透露，它正在测试一个3D打印系统，这套系统可能比目前基于振镜的激光制造技术快"一千倍"。南极熊认为，这种新型金属3D打印技术的可行性一旦得到认证，将会在3D打印行业掀起一场革命，它会为大批量增材制造金属零部件铺平道路。

△激光增材制造

据悉，这家研究所的装置重点在于一个高功率的13KW "动态光束激光器"，它能够迅速产生不同的能量分布模式，并精确地打印出极为复杂的材料。据FraunhoferIWS的Andreas Wetzig称，这项技术推动了金属3D打印的极限，将会解锁新的合金材料在医疗、电动车和航空航天领域的广泛应用。

CBC 3D打印技术装机应用

这项突破性技术最初由以色列公司Civan Lasers开发，Fraunhofer IWS用相干光束来做金属3D打印。这种方法被认为是高功率激光工艺的 “巅峰"，它涉及到将激光分割放大成多条相干光线，然后再将它们合并成强大的单束。

在Civan Lasers公司的案例中，它们已经开发出一种利用部分光束的小相位偏移来调制能量分布模式的方法。与现有的激光器相比，动态光束激光器在光束中心释放出大部分能量，因此能够将零件制成复杂的 "环 "或"马蹄 "形状。

从理论上讲，使用光束偏转光学器件或快速振镜已经可以做到这一点，尽管每次重新调整都需要几毫秒。然而，Civan Lasers公司的方法更快，能够在微秒内调整激光的能量模式，因此它有可能使动态光束成形首次用于工业规模的金属3D打印。这套动态光束激光器现在已经从耶路撒冷运到德累斯顿的Fraunhofer IWS进行安装。

△一位工程师在德累斯顿的Fraunhofer IWS安装耶路撒冷的 "动态光束激光"。照片来自Fraunhofer IWS

Fraunhofer IWS和"ShapeAM"。

作为欧盟支持的 "M-era.Net "计划中 "ShapeAM "项目的一部分，Civan Lasers公司已经在Fraunhofer IWS的德累斯顿工厂安装了一套名为"CIVAN"的新型系统。ShapeAM团队与焊接专家Laser Welding Solutions的同事合作，表示最终目标是开发具有 "改进材料特性 "的钛和铝3D打印部件。南极熊的全球3D打印产品库product.nanjixiong.com将收录这款产品。

具体而言，研究人员打算利用动态光束成型来消除部件缺陷，并克服裂纹敏感材料带来的许多现有挑战。在这样做的过程中，研究小组认为也有可能创造出具有特定应用价值的金属部件，例如为在外太空执行任务而定制的部件，或具有增强生物相容性的植入物。

为了衡量动态光束激光器的能力，Fraunhofer IWS和Civan Lasers的专家们首先计划对光束轮廓和材料进行基本测试，通过评估它对通常难以加工的合金的切割、连接或3D打印各种物体的能力来确定最终用途。

虽然该项目在2021年7月才开始，但Fraunhofer IWS已经预测，CIVAN将在3D打印过程中对熔池动态提供 "更快和更精确的控制"。在其他领域，该研究所还预计，当涉及到激光切割时，动态光束激光器将被证明是目前光纤激光器的两倍，同时产生无毛刺的切割，并具有良好的边缘质量。

2021年9月14日，Fraunhofer IWS将举行网络研讨会，届时它将与潜在的工业和研究伙伴深入探讨其实验，那些对测试该技术感兴趣的人将被邀请将CBC激光器用于他们自己的应用，但条件是任何后续发现将在2021年12月7日至9日的激光研讨会和ISAM 2021上提出。

△预计新的 "CIVAN "将在金属3D打印中开启动态光束成型。照片来自Fraunhofer IWS

高功率激光3D打印

与FraunhoferIWS正在试验的基于CBC的系统不同，目前许多金属3D打印机都仅限于使用1KW的单激光器。为了解决这个问题，制造商越来越多地在他们的打印机上安装多个高功率激光器和大构建量，做出具有工业规模应用潜力的巨型机器。

考虑到这一点，SLM Solutions在去年的Formnext Connect展会上发布了强大的新NXG XII 600 3D打印机。它包含12个1KW的激光器，专门为汽车或航空航天领域的企业大规模生产大尺寸零件而设计，它已经吸引了 "欧洲主要OEMs "的兴趣。

同样，Farsoon技术公司在2021年TCT亚洲展览会上推出了一款新的粉末床融合（PBF）3D打印机，它具有不少于8台1000W的激光器。Farsoon的系统有两种设置，包括FS721M-8和缩小版的FS721M，让客户降低生产成本，在汽车、工具和工业领域应用。

200万激光点的金属“区域3D打印”技术，Seurat速度提升1千倍

2021年7月1日，南极熊获悉，金属3D打印创业公司Seurat Technologies最近获得了4100万美元（约2.65亿元人民币）的B轮融资，由投资公司Capricorn基金领投。

据悉，Seurat公司将使用这笔资金继续加速“区域打印工艺”的研发和商业化。这是一种创新的3D打印技术，使用200万个激光点来实现部件的大规模3D打印。这与EOS此前发布的近百万个二极管激光器来融化材料看起来很相似。

△Seurat200万个激光的“区域打印工艺”，可以打印金属件

△EOS的LaserProFusion技术，采用近百万个二极管激光器来熔化材料并逐层制造零件，适用于尼龙粉末材料

但是，在技术原理上并不相同，Seurat的这种新技术不是增加激光源的数量，而是使用一种全新的光束处理方法来增加每次的熔化量。常规的金属增材制造系统的光斑直径为100微米，对于单激光系统，就是使用直径100微米的激光进行扫描打印。而Seurat系统将200万个激光点射向15平方毫米的方形区域，每个光点的直径大约为10微米，也就是说一次打印一个区域。

南极熊剖析一下，可能你会更容易理解这个技术的厉害之处：

• 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面积相当于15平方毫米，而常规单激光100微米直径的光斑面积仅仅为0.0078平方毫米，两者相差近1000倍，也就是说最多可以实现单激光系统1000倍以上的熔融效率；
• 在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度却能达到传统单激光的10倍。
  

现有的金属增材制造中效率比较高的两种工艺是：电弧熔丝和粘结剂喷射。电弧熔丝使用基于金属丝的焊接工艺来沉积材料。然而，电弧熔丝的打印精度很低，能打印的最小特征尺寸在5-10毫米之间。粘合剂喷射法是基于喷墨打印技术，以高生产速率打印毛坯部件，然而打印之后还需要进行烧结，两步法也使这项技术难以掌握。目前，使用这两种技术方法可以实现400-1,500立方厘米/小时的打印速度。

Seurat的区域打印技术的生产力远远超过任何现有金属3D打印技术。它的打印速度甚至高于电弧熔丝，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能进一步提高表面质量和零件的灵活性。