光束整形推动金属增材制造迈向新高度

虽然金属增材制造在生产零部件领域的应用正在不断扩大，但该技术若要成为被广泛接受的工业化生产技术，业界仍迫切需要进一步提高产能。目前，研究人员、激光设备供应商、设备制造商和材料供应商正在积极探索光束整形技术，将其视为实现金属增材制造工业化的一条重要途径。

Equispheres首席执行官Kevin Nicholds

金属增材制造（AM）的下一次重大飞跃已经到来——激光光束整形技术的应用。通过将光束整形技术与定制化金属粉末相结合，激光粉末床熔融（L-PBF）工艺的生产效率得到了显著提升。当光束整形技术与专为高功率激光、高速扫描工况设计的金属粉末相结合时，激光粉末床熔融技术正迎来生产潜能的重大突破。

在L-PBF工艺（直接金属激光烧结和选择性激光熔融）中，高成形速率下的零件质量往往受制于工艺稳定性。大量实践证明，增材制造专用金属粉末能有效抑制熔池紊流，显著提升高速加工适应性。事实上，正是这些经过增材制造优化的专用材料，才使得业界能够成功运用1kW级激光器实现铝合金零件的高效打印。

然而，致力于突破L-PBF技术边界的制造商们发现，传统工艺激光器仍存在固有局限，能量输入方式始终无法完美适配零件成形需求。这正是激光光束整形技术大显身手之处。作为一项关键创新，该技术将帮助用户充分发挥高功率激光器的潜能。

提升生产效率

要理解光束形态调整对生产效率的影响，就需要深入观察L-PBF工艺中的零件成形机制。当前，L-PBF设备普遍采用具有高斯强度分布（呈钟形曲线，中心能量高、边缘能量低）的单模激光器。这种光束会在微小区域内产生极高的温度峰值。
当加工零件的厚实部位时，这种光束形态会制约生产速度。由于能量集中分布在光束路径中心，要保证零件质量通常需要缩小激光扫描轨迹间距，这不仅延长了每层的加工时间，更导致整体成形周期增加。若采用更高功率激光器，这种不均匀的能量输入会造成更剧烈的受热不均和熔融异常，必须进行额外修正。正是这些因素，将当前L-PBF设备的激光功率限制在1kW左右。

Aconity3D采用Equispheres粉末打印的工业零件（作为激光光束整形项目的基准测试件）

然而，通过优化光束能量分布能够精确控制工件热输入，从而显著提升粉末熔融的均匀性。这意味着激光功率、扫描速度乃至整体成形速率，都能获得突破性提升。光束形态直接影响温度场分布和熔池特性。在以往对于金属粉末床熔融中的激光光束形态优化研究中，学者们发现，相较于传统高斯光束，环形光斑和平顶光束能通过更大面积的热量分布，同时提升工艺效率和产品质量。

另一项题为《新型光束形态对LPBF铝合金熔池形貌及力学性能的影响》的研究表明，峰值辐照度与环形光强会直接影响熔池长径比以及熔池深度与层厚的比值。同样值得注意的是，专为粉末床熔融工艺及高速加工研发的金属粉末，能够有效提升熔池稳定性和整体熔融质量。当这两项技术协同应用时，将对生产效率产生显著的倍增效应。

降低零件成本

根据与增材制造设备供应商Aconity3D的合作经验，材料特性是充分发挥高功率激光器优势的关键因素。Equispheres公司专为高速加工研发的铝合金粉末在此发挥了重要作用。与Aconity3D的合作研究项目表明，经过特殊设计的粉末与配备光束整形功能的3kW激光器组合使用，可使生产效率提升9倍。

基于激光的增材工艺主要缺点在于高昂的成本，而这与加工速度直接相关。与Aconity3D的合作旨在通过高功率激光器（＞1kW）和针对性粉末设计（即调整颗粒特性以适应高速加工），实现高产能的稳定成形。这项成果消除了金属增材制造大规模应用的障碍，实现了单件成本约80%的大幅降低。

该项目实现了比行业典型生产效率快约9倍的可持续成形速率。鉴于L-PBF工艺中零件成本高度依赖打印时长，如此高的成形速率从根本上改变了增材制造的经济性模型。通过光束整形技术实现的加工提速、精密工艺控制以及新一代铝合金增材粉末的结合，将深刻影响增材技术在成本与质量敏感型领域，如汽车、航空航天及国防应用中的推广。

行业应用现状

光束整形技术与定制材料的结合，使企业能够同步提升层厚、扫描速度、扫描间距及能量输入等关键工艺参数。该技术仅需对现有设备进行适度改造并匹配合适材料，就能开辟全新的商业机遇。

在增材制造领域，据悉EOS旗下子公司已推出配备nLight动态光束整形激光器的商用L-PBF系统。Aconity3D在其设备上测试了多种激光配置，包括合作中使用的IPG 3kW激光器。此外，Civan Lasers同样提供动态光束整形解决方案，并正与增材制造行业展开深度合作。

高功率激光器在L-PBF工艺中实现前所未有的成形速率，为设备研发开辟了新方向。工业激光器的光束整形技术已在其他行业得到应用，可轻松适配L-PBF设备。机械制造商有机会在不影响现有L-PBF工艺流程的前提下，采用这项前景广阔的技术。

在高功率激光条件下保持熔池稳定的材料技术也已成熟。Equispheres的众多客户正在以远超传统制造方法经济性的成形速率生产铝合金零件。最终阶段将是这两项技术的深度融合，通过提升成本效益和生产效率，为增材制造铝合金零件创造更坚实的商业机遇。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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