显著提升工艺稳定性和生产效率，弗劳恩霍夫ILT开发新型LPBF激光光束整形平台

2024年11月8日，南极熊获悉，德国研究机构弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）将在Formnext 2024上展示新型3D打印光束整形技术。这项技术是由弗劳恩霍夫团队与亚琛工业大学光学系统技术系（TOS）合作，利用新平台开发的一种用于研究复杂激光光束轮廓的测试系统。

激光光束整形平台可以为激光粉末床熔合 (LPBF) 3D 打印创建定制的光束轮廓，提高零件质量、工艺稳定性和生产率，同时最大限度地减少材料浪费。

弗劳恩霍夫 ILT 的新系统使用硅基液晶 - 空间光调制器 (LCoS-SLM) 在 3D 打印过程中选择性地弯曲激光束的相位前沿。据报道，它可以实现比以前研究中实现的基本环形和矩形形状更复杂的轮廓。这将使研究人员能够研究 LPBF 中使用的几乎任何光束轮廓。然后可以将复杂的轮廓与特定的工业 3D 打印应用相匹配，以获得最佳结果并满足生产需求。  

弗劳恩霍夫 ILT 激光粉末床熔合系的博士生 Marvin Kippels 解释道：“我们可以有针对性地优化 LPBF 工艺。”他指出，新平台将减少材料蒸发、减少飞溅形成、改善熔池动态、平滑熔道表面并提高工艺效率。     

目前正在建设中的新型 LPBF 光束整形系统将于本月晚些时候在 Formnext 2024 上首次展出，位于 11.0 展厅 D31 展位。

△马文·基佩尔斯 (Marvin Kippels)，弗劳恩霍夫 ILT 激光粉末床熔合系博士生。照片来自弗劳恩霍夫 ILT。

什么是激光光束整形？

许多 LPBF 3D 打印工艺使用的激光功率为 300 至 400 瓦。这些激光器的标准高斯分布对质量、效率和可靠性至关重要的工业应用提出了挑战。  

弗劳恩霍夫 IAPT L-PBF 负责人 Philipp Kohlwes此前曾表示，高斯激光器的高功率集中度会导致能量分布不均匀，中间能量过多。这会导致局部过热、不必要的材料蒸发和工艺不稳定，从而导致飞溅和孔隙，损害零件质量。这些问题限制了 LPBF 3D打印的可扩展性，限制了可用于大多数材料的最大激光功率。

Kippels 表示，解决这个问题的一种方法是并行使用多个激光器和光学系统。但是，成本至少与安装的系统数量成正比。此外，这些系统并不总是能够均匀使用，从而限制了它们在工业应用中的可扩展性。  

为了克服这些挑战，弗劳恩霍夫 IAPT 正在研究激光光束整形，以提高单个激光器的生产率，这些激光器也可用于多光束3D打印机。在此过程中，在烧结金属粉末之前，将激光的高斯轮廓处理成不同的形状。这些形状可以促进能量均匀分布，从而在熔池中产生更多能量。Kohlwes 声称，这种均匀性可以将金属 3D 打印的生产率提高 2.5 倍，并将工艺稳定性提高 40%。

先前的研究表明，简单的光束形状（如环形、矩形或两者的组合）可以提高零件质量和加工速度。然而，由于现有技术的限制，更复杂的光束形状的创建在很大程度上仍未得到探索。据报道，弗劳恩霍夫 IAPT 的新平台克服了这些限制，代表着可以根据生产需求定制更复杂形状的新一步。

Kohlwes 在去年的采访中就曾预示这项功能的潜在价值。他强调说：“激光光束轮廓与相应应用的匹配程度越高，能量输入和相关工艺稳定性就越好。同样，不存在一种完美匹配所有需求的光束形状，每种应用都有自己的要求。”

△在 LCoS-SLM 的相位掩模上反射后，激光束强度在传播过程中重新分布。左侧为初始分布，右侧为目标分布。图片来自 Fraunhofer ILT。

弗劳恩霍夫的新型 LPBF 光束整形平台

ILT团队的新平台利用LCoS-SLM 解锁几乎任何用于 LPBF 3D 打印的激光光束轮廓。该测试系统的最大激光功率为 2 kW，还可以评估高功率水平下的光束形状，从而为特定应用匹配理想的轮廓。     

△弗劳恩霍夫 ILT 的新型激光光束整形平台。照片来自弗劳恩霍夫 ILT。

弗劳恩霍夫研究人员表示，此前对光束整形的研究并未对成形的基础机制进行深入理解，甚至相关文献中出现一些相互矛盾的结论。因此，研究人员需要对工艺有更基本的了解，然后才能有效地确定激光特性，例如熔化轨道几何形状。为此，光束形状需要针对特定​​应用进行优化，然后才能被制造商采用。据报道，FraunhoferIAPT 的新平台允许客户和项目合作伙伴利用其灵活性来研究激光光束整形，以优化 LPBF 3D 打印。     

Kippels 补充道：“我们仍处于起步阶段，但我们已经看到光束整形为 LPBF 工艺提供的巨大潜力。得益于我们灵活的光束整形，我们可以找到每种工艺的理想分布，以及相关任务的最佳工艺参数。”

△使用 Fraunhofer ILT 的光束整形平台创建的新型激光光束轮廓。图片来自Fraunhofer ILT。

激光光束整形 3D 打印的进展

鉴于光束整形技术在工业金属 3D 打印方面的显著优势， 多家LPBF 3D 打印领域的参与者正在致力于这项技术的开发和商业化。半导体和光纤激光器专家nLight就是这样一家公司。今年早些时候，nLight同意向慕尼黑 3D 打印机制造商EOS供应其 AFX可编程光束整形激光器。

此次联合战略合作使激光器能够在 EOS 的金属 3D 打印机上使用，同时还实施其他基于激光的互补技术，以增强其用于工业应用的光引擎。nLight的 AFX 激光技术此前已在EOS 集团旗下公司AMCM的金属 3D 打印机上使用。   

此外，Equispheres和Aconity3D还利用激光光束整形 3D 打印技术，实现了比行业标准高出近 9 倍的打印速度。Equispheres 的NExP-1 铝粉与 Aconity3D 的AconityMIDI+ LPBF 3D 打印机配合使用，使单台激光器的打印速度超过 430 立方厘米/小时。

这套打印系统经过调整，采用了具有光束整形功能的IPG YLR 3000/1000-AM 激光器。通过在放大的高斯分布上使用整形光束，减少了过热现象，并减轻了高速 3D 打印过程中的飞溅形成。