如何利用光束整形来更好的适应不同的SLM打印需求

来自：AMLetters

SLM光束整形的原因
传统的金属零件要通过铸造、锻造、焊接、车、铣、刨、磨、钻等诸多工艺制造，但借助金属3D打印技术（尤其是SLM选区激光熔化技术），只需要一个工序就可以将复杂的三维模型变成实实在在的金属零件。（当然最终交付使用的零件，往往还需要经过相对简单的后处理）

SLM的优点

• SLM的应用范围非常广泛，从大型注塑模具到中等壁厚的涡轮叶片，再到具有精细翅片和流体回路结构的热交换器，尺度跨度大，适应能力强。
• SLM可以打印的材料种类丰富，不锈钢、模具钢、高温合金、铝合金、钛合金、铜合金……
• SLM工艺参数灵活多样，针对不同的表面质量和力学性能要求，调整对应的工艺参数即可实现需求。
  

让一台SLM设备能兼容这么多功能，其实并不是一件容易的事情。就拿工艺参数来说，做过工艺的朋友都知道针对零件不同的特征部位，需要使用不同的打印参数，以获得光滑的表面质量、高的加工效率、易去除的支撑结构等等。但是所有工艺参数的优化其实都是围绕着一个中心主题展开的，这个主题就是激光束，更准确的说是高斯光束。高斯光束是目前SLM设备最最主流（99.9%）的激光束类型，最大的特点是能量分布固定不变。

既然激光束的能量分布是固定的、静态的，那我们怎么让它适用于不同的结构特征打印呢？

通常是通过修改激光功率、扫描间距和扫描速度等参数，控制能量输入。但因为高斯光束固定不变的能量分布，这种调整的工艺窗口其实比较窄，或者说被固定的物理极限限制住了进一步优化的可能性。比如，追求高的生产效率，我们是可以通过提高激光功率和扫描速度来实现，但这往往是以牺牲其他方面的质量来获得的。

这就好比让你用一把锤子来盖房子，你可以控制的唯一参数是你用这把锤子击打东西的力度和位置。一味的用大力气，也不一定能让工作更高效，反而有可能把房子砸坏。盖房子需要的是一套适用于不同场景的专业工具，而不是一把万能的锤子，这世上也没有万能的锤子。

这就是目前SLM领域面临的问题，你只有高斯光束，但高斯光束并不是万能的。SLM实际上还有很多潜力没有被我们挖掘出来，这也是这篇文章题目的由来，激光整形才是SLM的未来，它可以改变激光束的直径和能量分布，为我们提供一套专业的工具，而不是扔给你一把锤子。

光束整形可以同时在几个维度上提高其性能，当前的高斯光束模式在提高某一维度的性能的同时，必然会降低另外一个维度的性能。

如果仅仅是静态的调整光束的能量分布，其实并不难，难的是在打印过程中针对不同的零件结构进行对应能量分布光束的快速切换。这也是为什么目前还没有商业化成熟案例的原因。

光束整形 如何改善打印过程
要了解光束整形如何改善打印过程，我们首先必须了解激光如何与粉末相互作用。
激光与粉末的相互作用实际上伴随着三个物理过程：加热、熔化、气化。SLM过程是一个深熔焊过程，在这种情况下，材料不仅会熔化，还会在高功率聚焦中心区域发生蒸发。由于极大的温度梯度和气化现象，熔池会处于非常激荡的状态。熔池中的强电流会导致飞溅物喷出，也会影响熔覆道的形貌。飞溅物和不平整的熔覆道表面又会分别遮挡激光和影响下一次的铺粉效果，对打印过程产生不利影响。汽化还会导致零件内部形成孔隙，影响整体的机械性能。在下图中，你可以看到扫描速度和激光功率如何影响熔覆道的外观。在左下角的图片中，有明显的气孔，而在右下角的图片中，熔覆道形貌极其不规则。

不同扫描速度的单道横截面

光束整形概念的提出实际上就是为了更加精细的控制熔池，进而对整个打印过程的质量有一个更好的把控。

通过改变激光的能量分布，我们可以对加热区域和熔化区域做更加精细的调控，获得相对小的温度梯度和更加温和的熔池状态，使SLM工艺不再局限于固定不变的深熔焊过程。所以说光束整形对于提高生产效率、提高粉末利用率、提高加工焊接性较差材料的能力来说都至关重要。我们会有更多的加工策略可以选择，打印产品的各方面质量也都会得到相应提高。

下图是单参数优化、双参数优化、引入光束整形后的更多参数优化的一个示意图，非常形象的表达了光束整形与现有技术的一个对比。

激光束整形的参数空间

光束整形 应用案例
实际上，目前还没有可以动态改变光束形状的SLM设备问世，所以这个案例是一个模拟的案例。不过这案例中的三种不同光束状态都已经被单独的测试过了，也就是说，从工艺角度来讲，方案已经通了。现在面临的问题主要是软硬件控制上的问题。

下面这个热交换器是测试光束整形的很好案例，因为它包含了3种不同的特征结构。

三个特征：

• 轮廓：零件和翅片的侧表面部位
• 内表面：零件的主要实体结构
• 薄壁翅片：非常薄的壁，横跨零件的方孔结构
  

轮廓部位要致密、无孔、尽量光滑。实体部位要致密（因为孔洞会影响散热性能），要快速加工（因为实体较多，是影响加工效率的主要部分）。

翅片部位要致密、尽量光滑、在保证连续性的同时快速加工（因为翅片数量很多，增加了激光空跳的时间）。

基于不同特征的不同要求，提出了下图所示的不同加工策略。

轮廓：使用标准高斯光束。高斯光束是目前SLM设备光学系统可获得的最小光斑的光束类型。出于这个原因，使用这种光束来生产具有低粗糙度的非常精细的表面。
内表面：使用大直径的平顶光束。提高加工效率、减少飞溅产生。
翅片：前面说了，高斯光束形成的光斑直径是最小的，光束整形也无法改变这个物理事实。但是通过光束整形技术，我们可以将单个高斯光束分成三个具有相同功率的高斯光束。这就使得翅片的加工效率提高了三倍。

模拟结果表明，引入光束整形技术后，可以减少大约 48% 的单个零件的打印时间，相当于降低了大约 30% 的成本。（针对此散热器零件）

结论
上面的案例主要说明，光束整形可以通过优化加工不同结构的工艺参数来实现整体效率的提升。你可能在想，效率在很多情况下并不是最重要的关注点，仅仅为了减少点加工时间而引入如此复杂的工程，有些得不偿失吧！

其实，生产率的提高只是光束整形优势的一方面，通过控制熔池行为，加工目前无法打印的材料，或许会对现有SLM技术和厂商带来更大的冲击。

以上内容，基于EOS官方的技术博客整理。

点评
光束整形这个技术很好，但仅仅靠SLM设备厂商是不行的，需要激光器和光学元器件厂商在这方面的成熟产品才可以，以色列Civan公司的动态光束激光器做的不错，佛劳恩霍夫在光束整形方面的研究用的就是Civan公司的动态光束激光器[2]。2022年1月25日，Civan（动态光束激光器厂商）官方宣布已经与Smartmove（振镜系统厂商）联合研发出了与动态光束激光器配套的扫描振镜系统，并且交付了一个大型的SLM厂商。不知这个未透露名字的大型SLM厂商是不是EOS。

经过这次对光束整形技术的调研，觉得光束整形技术确实潜力巨大，相较于之前论述过的区域打印技术（区域打印 或将颠覆SLM），光束整形好像近在咫尺，并不是什么天方夜谭。增材领域的朋友该了解下。

参考文献：
[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