在提升激光粉末床熔融（PBF-LB）增材制造生產率的競賽中，設備制造商普遍選擇增加激光器數量的路徑。而恩耐（nLIGHT）公司則認為，需要的未必只是更多的激光器，而是具備光束整形能力的激光系統。

通過采用動態(tài)光束整形技術，PBF-LB工藝的生產效率、穩(wěn)定性和冶金性能均已獲得顯著提升。鑒于該技術近期取得的商業(yè)成功——包括獲得Aconity3D、AMCM、EOS和DMG Mori等企業(yè)的采用，特邀團隊成員解析光束整形技術及其對增材制造行業(yè)的潛在影響。

作為金屬增材制造的主導工藝，PBF-LB技術正在深刻改變商業(yè)航空、衛(wèi)星部署、國防科技和個性化醫(yī)療等諸多領域。然而，若要在工業(yè)模具、消費品和汽車制造等大批量市場實現更廣泛的應用，PBF-LB技術必須通過顯著提升生產效率來降低零件成本。當前，PBF-LB設備的生產效能亟需大幅提升，才能與鍛壓、鑄造和CNC加工等傳統制造技術形成競爭力。
近年來，OEM廠商開始通過為每臺增材制造設備配置更多激光器來提高產能。雖然多激光系統相較單激光設備具有產能優(yōu)勢，但單純增加激光器數量不僅會帶來邊際效益遞減，還會將綜合持有成本推高至限制市場接受度的水平。

 

圖1：動態(tài)光束整形技術正推動金屬增材制造設備的革新，使其既能生產高性能零件，又可實現媲美傳統制造的成本效益

更關鍵的是，當前行業(yè)采用的高斯激光束形態(tài)存在可擴展性的固有局限。本文將闡釋動態(tài)光束整形技術（圖1）如何推動金屬增材設備的革新——既能制造高性能零件，又可實現媲美傳統制造的成本效益，從而開辟全新市場空間。

 

激光技術的演進

現代金屬增材制造用粉末床熔融設備通常采用單模摻鐿（Yb）光纖激光器，其發(fā)射波長約為1070nm，并大多配備了二軸、三軸乃至四軸振鏡掃描系統。單模光束的低發(fā)散度和卓越的聚焦特性，使其即使配合小孔徑光學元件或在遠距離工作時，仍能實現最小光斑尺寸，從而精確成型細微特征。過去25年來，連續(xù)波摻鐿光纖激光器已成為絕大多數PBF-LB設備的首選光源。

單模光纖激光器的功率輸出始終與金屬增材市場需求保持同步。21世紀初，PBF-LB設備初始配置100-200W激光器，2010年代逐步升級至400-700W。對于典型的100μm直徑聚焦光斑，500W單模光纖激光器被證實足以滿足大多數工藝和材料需求。

到2020年，設備制造商通過兩種方案成功部署1kW單模激光器：要么采用變焦透鏡擴大粉末床上的光斑尺寸，要么利用掃描器的離焦功能。這些策略通過增大掃描間距提升了生產效率，有時還會同步增加鋪層厚度。雖然該技術在不要求高空間分辨率的場景下確實有效提升了產能，但由于以下多重因素，導致激光系統在增材設備集成中變得復雜而笨重：

● 變焦光學系統的引入不僅增加了成本和結構復雜度，更多的光學表面使用顯著提高了污染風險；
● 離焦方案存在本質上的工藝復現性挑戰(zhàn)——在偏離焦點的狀態(tài)下工作，微小的離焦誤差會導致功率密度出現二次方級偏差；
● 更重要的是，無論是變焦還是離焦方案，高斯強度分布的特性始終存在根本性局限。

在這種高斯能量分布下，熔池的過熱現象與極端溫度梯度問題不僅依然存在，還會隨著熔池尺寸的擴大而進一步放大——更大的熔池意味著更嚴重的不穩(wěn)定傾向。因此，當加工無需高光束質量的部件（例如無特征結構的塊體材料）時，高斯光束分布非但無益，反而成為工藝負擔。

因此，行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)已十分明確，要實現更高生產率、更低成本且更穩(wěn)定可靠的PBF-LB工藝，就必須開發(fā)全新的激光技術方案。

 

光束整形技術的早期探索

光束整形技術的初期研究主要聚焦在測試各類光束形態(tài)與能量分布，旨在實現激光作用區(qū)域內熔融材料溫度場的“扁平化”。平頂光束分布看似是最直接的選擇，但將高斯分布轉換為其他能量分布時，光束質量會急劇劣化。雖然業(yè)界期望能實現單模光束與更大非高斯分布之間的切換，但必須確保光束質量不會過度退化，以免影響掃描系統的傳輸性能。

 

圖2：nLIGHT Corona™ AFX激光器模式0-6的核心與環(huán)形能量分布對比

圖3：根據幾何特征選擇最佳光束模式（圖示物體僅作演示用途）

盡管高斯-平頂光束轉換光學元件已在市場上出現，但與掃描光束傳輸系統的集成始終存在顯著問題。主要技術障礙包括：

● 極高的對準靈敏度——需要頻繁進行維護校準；
● 焦深過短——需針對工作距離反復執(zhí)行Z軸校準；
● 與常規(guī)掃描光學系統存在光束質量兼容性問題；
● 附加光學元件引入的污染風險；
● 采用自由空間光學實現單模/平頂快速切換帶來的成本激增與系統復雜性。

除諸多工程技術挑戰(zhàn)外，平頂光束分布對高斯能量分布問題的改善效果也較為有限。這其實在預料之中，因為即便采用平頂光束，熔池內的熱傳導仍會產生顯著溫度梯度，只是相比高斯分布稍顯緩和。

為適配高功率PBF-LB設備，環(huán)形光束分布作為平頂/高斯光束的替代方案進入研究視野。環(huán)形光束有效解決了高斯分布中心能量/熱量過集中的問題，創(chuàng)新性地通過將能量分布至環(huán)形外緣實現逆向調控。慕尼黑工業(yè)大學的研究團隊通過316L材料單道焊實驗驗證了這一理論。實驗表明，環(huán)形光束可產生比單模光束大250%的聚焦光斑，從而顯著提升生產效率。

 

推出Corona™ AFX激光系統

2010年問世的nLIGHT Corona AFX激光器，成為首款能在單模高斯光束與六種其他光斑模式（部分光斑面積可達三倍）間切換的光纖激光器。AFX激光器可作為標準高斯光束（標記為模式0）運行，但其獨特之處在于能將能量轉移至外環(huán)區(qū)域（如圖1所示）。

核心區(qū)與外環(huán)的能量始終保持比例分配，隨著模式指數提升，能量會以階梯式從核心向外環(huán)遷移。盡管模式0-6的總功率可保持不變，但隨著更多能量轉移至外環(huán)，功率密度（單位面積功率）將逐步降低（圖2）。

這種能在微秒級時間內實現純高斯光斑到環(huán)形光斑的無損切換能力，被稱為動態(tài)光束整形技術。通過AFX激光器的動態(tài)光束整形功能，可根據具體應用和成型需求選擇最優(yōu)光束模式。EOS集團展示的典型幾何構件案例中（圖3），不同結構部位需要匹配不同光束模式：例如采用模式0的小光斑進行輪廓精加工和高分辨率細節(jié)成型，而在需要高效熔融-致密化的區(qū)域則切換至模式6的大環(huán)形光斑——通過增大掃描間距顯著提升整體生產效率。同理，中間模式可對應過渡型幾何特征。

動態(tài)光束整形在PBF-LB中的應用，可以用繪制肖像畫來類比：如果畫家只能使用一支細尖畫筆，創(chuàng)作效率必然低下。雖然細尖畫筆是勾勒精細特征的理想工具，但在處理大面積區(qū)域時，畫家理應換用更寬的畫筆。

 

圖4：nLIGHT AFX動態(tài)光束整形技術重塑PBF-LB成本曲線

如圖4所示，對比1kW標準激光器，采用1kWAFX激光器可顯著降低PBF-LB零件成本。這種生產力提升源于動態(tài)光束整形技術，在大面積制造區(qū)域采用更大光斑和更寬掃描間距的工藝方案。在此案例中，單臺AFX激光器的單件成本效益相當于四臺標準激光器。隨著激光器數量的增加，成本曲線會趨于平穩(wěn)，這部分固定成本主要來自鋪粉及其他設備操作環(huán)節(jié)。

 

動態(tài)光束整形的技術原理

圖5清晰地展示了高斯光束與環(huán)形光束的本質差異，其中包含焦平面光束強度分布俯視圖及對應的激光強度截面曲線。高斯光束呈現中心強度峰值分布，具有陡峭的邊緣梯度，在粉末床上形成典型80μm的小光斑，產生的熔池呈窄半橢球狀。
相比之下，環(huán)形光束的強度截面呈現雙峰分布，但熔池溫度場分布更為平緩且寬泛，典型光斑尺寸可達240μm。通過Corona AFX光纖激光器，可根據局部幾何特征、材料體系和掃描速度優(yōu)化溫度場分布。

 

圖5：高斯光束、平頂光束與環(huán)形光束的能量分布特征、理論溫度響應及熔池形態(tài)對比

環(huán)形光束之所以能高效利用更高功率，源于其熔池的固有穩(wěn)定性。圖5揭示了高斯光束加工的典型問題：中心強度峰值會導致熔池失穩(wěn)，在熔融材料內部產生向下的作用力，將熔滴（即飛濺物）拋射至成型腔體內。激光的中心高強度還會造成熔池中心過熱，加劇金屬汽化，進一步增加熔池內部向下壓力，從而形成更多飛濺。

此外，還會出現熔道球化或隆起等缺陷。當激光強度過高時，熔池內部向下作用力會使熔融模式從熱傳導型轉變?yōu)槌卓仔?，在熔融材料表面形成深凹陷，并遺留大量氣孔。這些熔池異常、飛濺及匙孔現象，正是PBF-LB設備產生孔隙和缺陷的主因，也解釋了為何高斯光束在高功率下的工藝窗口如此受限。

與高斯能量分布在粉末床上形成的溫度場不同，平頂光束雖能略微改善這一狀況，但其溫度分布仍存在中心峰值。而將能量從光束中心轉移至環(huán)形區(qū)域后（如環(huán)形光束所示），溫度場分布可實現顯著平坦化。

環(huán)形光束熔融形成的熔池具有高度一致性，這使得粉末床能夠獲得更精確的能量輸入，從而將溫度精準控制在略高于合金熔點的理想區(qū)間。如圖5所示，動態(tài)光束整形通過改變熔池內部溫度響應，最終調控PBF-LB成型軌跡的凝固截面形態(tài)。

 

行業(yè)驗證

Aconity3D針對Inconel 718渦輪葉片制造的研究表明，從純高斯模式切換至光束整形優(yōu)化構建策略后，總成型時間（及成本）顯著降低。如圖6所示，兩種工藝在構建準備、惰性氣體置換和鋪粉時間上保持一致，但采用環(huán)形光束帶來的更寬掃描間距使激光作用時間銳減82%，從而大幅縮短總成型時長。

 

圖6：動態(tài)光束整形技術經濟效益示例——基于Aconity3D GmbH聯合Access e.V.與B&B-Agema GmbH提供的幾何構型研究

圖7：環(huán)形光束可實現更大掃描間距與更厚鋪層

該研究還表明，得益于熔池穩(wěn)定性的提升（圖7），采用光束整形技術可成功將鋪層厚度從50-100μm增加。鋪層厚度的提升帶來進一步的生產效率增益——將原本需要三天的成型周期縮短至半天，相應使零件制造成本降低75%（圖6）。

 

圖8：基于DMG Mori美國公司的研究數據，采用單臺1kW AFX激光器（具備光束整形功能）實現的單件成本vs行業(yè)標準設備（無光束整形）對比

另一項由DMG Mori美國公司開展的研究顯示（圖8），對比八臺配備2-12個激光器的行業(yè)標準PBF-LB設備，其單臺搭載1kWAFX激光器的設備在鎳基合金加工中展現出顯著優(yōu)勢。研究數據顯示，其他設備的零件制造成本達到DMG Mori平臺的2-6倍。

學術界同樣驗證了AFX激光光束整形技術的增效成果。Cozzolino等學者的研究表明，在Inconel 718材料加工中，環(huán)形光束相較高斯光束可提升23%的生產效率。Grünewald團隊的研究也證實，借助AFX激光器實現的更高掃描速度與更大鋪粉間距，可使316L材料的PBF-LB加工效率提升約兩倍。

 

實現高功率穩(wěn)定加工

采用AFX激光器的環(huán)形光束加工優(yōu)勢，不僅限于生產效率提升。環(huán)形光束形成的熔池具有固有穩(wěn)定性，可帶來多重加工與冶金學優(yōu)勢。熔池穩(wěn)定性最顯著的效果是拓寬工藝窗口——在確保零件高致密度的前提下，可采用的工藝參數范圍大幅擴展。

 

圖9：高斯光束與AFX光束工藝窗口對比

圖10：環(huán)形光束加工使AlSi10Mg材料的煙塵與飛濺物減少75%

多個研究團隊在不同材料體系中均驗證了這種兼具高生產效率和寬工藝窗口的特性。慕尼黑工業(yè)大學針對316L不銹鋼的研究表明（圖9），使用AFX-1000激光器配合環(huán)形光束模式時，其工藝窗口較高斯光束實現顯著拓寬。

寬工藝窗口的關鍵優(yōu)勢在于環(huán)形光束對高功率激光的兼容性。環(huán)形能量分布使熱輸入在粉床更均勻，整體能量密度得以降低。因此，PBF-LB設備采用環(huán)形光束時，功率超過1kW仍可穩(wěn)定加工。nLIGHT公司2022年推出1.5kWCorona AFX激光器后，又于2024年發(fā)布2kW型號。某商業(yè)客戶驗證顯示，2kW AFX激光器實現了傳統認為高致密零件無法達到的成型速率。

弗勞恩霍夫IAPT研究所的Jan Johannsen團隊針對AlSi10Mg的研究表明：在相同功率和參數下，環(huán)形光束相較高斯光束可減少75%的煙塵和飛濺。使用AFX激光器時，飛濺顆粒更細小，熔池內氧化大顆粒減少，熔道球化現象減輕。如圖10所示，飛濺減少最終降低了粉床污染，同時延長了過濾器使用壽命。

單模光束伴隨的高溫峰值可能超過材料沸點，這對某些合金會導致低沸點元素（如鎂、鋅）的汽化。除在成型腔內產生煙霧外，這些汽化氣體被困在熔池中還會直接導致氣孔等缺陷。更嚴重的是，輕質元素的過度汽化會造成成分偏差，極端情況下可能導致零件最終不符合合金規(guī)格要求。

如前所述，金屬汽化問題在匙孔焊中尤為突出。加工高反射性合金（如鋁、銅）時，匙孔焊往往難以避免。而高斯光束形成的匙孔容易塌陷，在零件內部留下含氣孔隙。采用環(huán)形光束加工時，多數情況下可避免從熱傳導焊轉向匙孔焊。例如Baldi團隊的研究表明，使用AFX激光器加工未來電池電極用純鋅時，由于熔深淺避免了匙孔效應，工藝窗口得以顯著拓寬。

 

賦能未來前景

雖然影響焊接性的因素眾多，但熱裂紋是主要誘因。環(huán)形光束通過精準調控峰值溫度、空間溫度梯度以及瞬態(tài)加熱/冷卻速率，實現對熔凝過程的精細管理。多模式光束調控能力使得微觀組織可控，進而定制局部材料性能，為PBF-LB零件帶來前所未有的性能表現。這種微觀結構控制還能降低零件間的性能差異，并有望減少后處理工序——這對提升金屬增材制造的經濟性至關重要，是推動PBF-LB成為規(guī)模化標準制造工藝的關鍵。

 

圖11：光束整形技術可促進成型件形成更均勻的等軸晶組織，其效果堪比熱處理后微觀結構

圖12：應用光束整形技術局部優(yōu)化渦輪葉片微觀結構以提升功能性表現

Galbusera團隊研究表明，采用AFX光束整形加工電機用鐵硅合金（新一代電機關鍵材料）時，可省去退火后處理。環(huán)形光束促進形成更均勻的等軸晶組織，這對最大化鐵硅材料磁導率具有決定性意義（圖11）。Aconity3D開展的渦輪葉片試點研究（圖6）除驗證生產效率外，還實現了零件微觀組織的分區(qū)調控，以匹配不同部位的力學性能需求。渦輪葉片基部承受高應力，因此采用更等軸化的晶粒結構來增強強度；而中上部則優(yōu)化為兼顧生產效率和縱向強度的組織形態(tài)（圖12），完美詮釋了如何根據零件不同區(qū)域的載荷工況定制微觀結構。

 

作者：Rob Martinsen、Alex Kingsbury（恩耐激光）
 

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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