光纖激光器光束整形技術，能夠顯著提升金屬激光粉末床熔融技術的打印速度和工件打印質量，并大幅降低成本。

圖1：AFX激光采用了全光纖光束整形技術，可以快速切換輸出光束的大小和形狀。光束輪廓可以在單模、環形以及兩者之間的任意一種形狀之間進行切換。當與工件相互作用時，環形光束和鞍形光束產生的煙塵和飛濺明顯減少。

增材制造涉及多種技術，其所使用的材料與所生產的產品一樣，具有多樣性。激光，由于其出色的可操控性和高功率，已經成為增材制造的一種有效工具，并且為增材制造的大批量生產提供了可能性。

自1996年問世以來，激光粉末床熔融技術（L-PBF）已經發展成熟，成為了金屬增材制造的一種領先工藝。材料的逐層熔化使工件設計獲得了前所未有的自由度。最初，L-PBF僅用于原型設計和開發；如今，現成的工業化L-PBF打印機甚至可以打印像銅這樣具有挑戰性的材料。此外，激光粉末床熔融技術打印的產品幾乎能應用到各個商業領域，包括醫療、航空航天、汽車和機械等。

雖然增材制造在工件設計自由度方面有著巨大的吸引力，但是L-PBF的生產成本和時間成本仍然太高。只有將L-PBF的生產成本和時間成本降低一個數量級，才有望使增材制造在傳統工藝鏈上得到廣泛應用。

激光源對降低增材制造的成本起著關鍵作用。通常情況下，激光的輸出功率可以在時域上高頻調整，但其空間強度分布是固定的。為了提高生產效率，光束輪廓必須進行實時調整，以匹配工件局部所需要打印的結構尺寸。

為了打印非常精細的結構（如格柵或薄壁結構），L-PBF打印機使用的是具有高斯強度分布的單模激光。當打印大塊截面時，這種光束形狀會限制打印速度，因為：

- 由于光束直徑較小，打印時光束每次掃描的間距比較小，導致面掃描速度較低。

- 線掃描速度與激光功率密切相關。激光功率通常被限制在幾百瓦，因為過高的高斯峰值強度會導致熔池穿孔，產生過量的飛濺和煙塵，使打印過程不穩定。

使光束散焦和放大光束都不能解決這些問題，因為這兩種方法并沒有改變高斯光束的形狀。理想情況下，光束輪廓在其形狀和直徑上是相適應的，而不會給精密的自由空間光學裝置增加復雜性。初步分析表明，環形光束和鞍形光束（即中心有一定強度的環形光束）最適合在熔化的粉末中產生均勻的橫向溫度場分布（見圖1）。因此，理想的L-PBF激光源，應該既能提供單模光束用于打印精細結構，同時還能提供一系列較大的環形光束和鞍形光束，用于打印更大的特征。

全光纖光束整形

能夠滿足上述所有要求的獨特光束整形技術，是nLIGHT公司的Corona系列光纖激光器的基礎，該系列中包括一款專為L-PBF應用優化的激光器AFX，其最大輸出功率為1.2kW。

AFX的導光光纖有一個單模纖芯（模場直徑14μm），單模纖芯被一個環形纖芯（直徑40μm）包裹。輸出光束可以在單模纖芯和環形纖芯之間任意地分配比例，因此從光纖中既可以輸出單模高斯光，也可以輸出直徑為40μm的環形光，同時也可以輸出介于兩者之間的任意一種形狀的光束（見圖2）。

因此，輸出光束的直徑（光束直徑定義為強度分布的二階矩，D4σ）可以在15~45μm之間調節，從而使光束面積的動態范圍擴大約10倍。值得一提的是，所有AFX的輸出光斑形狀，都可以通過激光通信接口進行切換（就像調節激光功率或重復頻率一樣簡單），切換時間小于25ms。

圖2：AFX通過設置“Index”值來切換不同的光束形狀輸出。上圖：激光功率在中心單模纖芯和環形纖芯之間不同功率配比形成的近場形狀剖面圖。下圖：計算得到的光束直徑（D4σ）和相應的M2值。

加速壽命測試表明，光束形狀切換2000萬次的情況下，光束性能仍沒有發生變化。光束在到達QBH輸出連接器之前從未離開過光纖，這就消除了任何污染或錯位。AFX保證了每種形狀的光束（每種光束通過設置“Index”值來切換）輸出都有優異的光束質量，其M2值在介于1-5之間，從而產生了較大的聚焦深度。例如，在5倍聚焦的情況下（L-PBF應用的典型值），單模光（Index值設為0）的瑞利距離（ZR）為3.4mm，而最大環形光束（Index值設為6）的瑞利距離則增加到8.1mm。由此可見，AFX輸出光在束腰兩側較長的距離內（~1/2 ZR），仍能保持其光斑形狀。因此，AFX為每一種光束形狀都提供了較大的加工窗口。

提高L-PBF的打印速度和穩定性

一些L-PBF工具集成商和研究室，已經證明并量化了AFX在提高L-PBF生產率和打印件質量方面，所具備的優勢。具體而言，AFX不僅能顯著提高L-PBF的打印速度（提高達7.8倍），而且還能增加工藝窗口，并且保持了優異的打印質量。這種無可比擬的優勢組合，源于AFX精確控制工件熱沉積的能力。與標準的單模光束相比，AFX優化后的光束輪廓，極大地減少了熔池的不穩定性，減少了對材料質量和產量有負面影響的煙塵和飛濺的產生。這一優勢反過來又使激光功率、掃描速度和L-PBF打印速度得到大幅提升。

最近獲得的結果如下：

- Aconity3D公司證實，AFX可以將鈦合金的打印速度提高7.8倍，標準單模光纖激光的打印速率為5.4cm3/hr，而AFX能將打印速度提高到42.1cm3/hr。打印速度的提高包括兩方面：第一，熔融區域的體積提高4倍；第二，掃描速度提高了兩倍。打印速度提高的同時，也保持了優異的打印質量（密度>99.8%）。[1]

- 2021年，德國慕尼黑工業大學（Technical University of Munich，TUM）的Grünewald等人表明，AFX可以同時提高316L不銹鋼的L-PBF打印速度（約兩倍）和工藝窗口。AFX能夠使用更高的激光功率和更快的掃描速度，并具有更大的工藝窗口（即在一定的功率范圍內保持良好的打印件質量）。具體來說，試圖提高單模高斯光束的功率會導致不良的球化或小孔效應，這就限制了L-PBF的生產效率。相比之下，Index的值設為4-6時，AFX功率增加的同時不會引起球化或小孔效應，因此可以提高打印效率。[2]

-德國研究機構Fraunhofer IAPT的Powder Bed Metal研究團隊，將一種鋁合金（AlSi10Mg）的打印速度提高了3倍，并且在保持優異打印質量（密度>99.9%）的同時，也提供了較寬的工藝窗口（見圖3）。隨著進一步的優化，打印速度將會進一步提高。[3]

- 2022年，Fraunhofer ILT（激光技術研究所）的Laser Powder Bed Fusion研究團隊中的Lantzsch等人證明，AFX提高了鎳基合金（型號625）的打印速率、工藝窗口和打印質量。

圖3：熔池內的溫度分布和重新凝固的材料形狀，在很大程度上取決于激光強度分布。（a）高斯光束和平頂光束都會導致中心過度加熱，從而產生次優的軌道截面。相比之下，環形光束產生了平坦的溫度分布，形成寬而平的軌道橫截面；（b）AFX環形光束結合了高掃描速度和較大的掃描間距；相比高斯光束，提高了打印速度，增加了工藝窗口，同時保持了優異的打印質量（打印件的密度不會降低）。

AFX通過提高打印速度，使打印零件的總體成本大幅降低，如圖4所示，對于一個典型的鋁制增材制造工件，其成本能夠降低60%。

圖4：（a）一種典型的增材制造工件，由鋁制成，重量558g；（b）由于其體積較大，適用于AFX激光打印，打印速度平均提高5倍，總體成本降低了60%。

材料特性的局部控制

除了生產力和成本優勢外，AFX還通過控制局部微觀結構和材料性能，為L-PBF制造開辟了新的維度。AFX獨特的激光輸出模式，可以控制熔池內的熱梯度和凝固動力學過程，因此可以控制材料的微觀結構，為打印工件提供了全新的設計可能性。因為AFX光束的形狀可以動態改變，微觀結構可以在局部進行設計，可以為整個打印件賦予新的功能和優化特性：

-Aconity3D公司比較了AFX環形光與單模高斯光（兩者有效直徑相同）對L-PBF打印鎳基合金（型號為Inconel 718）性能的影響。研究發現，AFX環形光可以提高打印件的屈服強度和屈服伸長率。這些關鍵的材料性能通常是反相關的，需要進行權衡，但AFX解除了兩者的反相關。這種能力為優化打印件的功能和性能提供了潛力，特別是可以在同一打印件中實現可變的材料特性。[5]

- TUM的研究團隊表明，AFX可以控制不銹鋼316L的微觀結構和材料性能。不同的AFX光束形狀，能夠優化熔融軌道的幾何形狀和溫度曲線，從而控制晶粒生長的方向和紋理，進而決定材料的性能。領導這項研究的Wudy教授指出，通過對晶粒生長的戰略性控制，“打印件的性能可以被微調”。例如，在不需要任何后處理的情況下，可以使打印件的某個局部特別堅硬或柔韌。使用復雜的激光輻照方法，單個打印件中也可以實現性能的改變。[6]

消除L-PBF的限制 

AFX光纖激光器提高了L-PBF打印眾多金屬和合金的生產率，大大提高了L-PBF的經濟效益。特別需要指出的是，L-PBF優化的光束形狀，可以輸出直徑為14μm的單模高斯光，也可以輸出直徑為40μm的環形光，同時也可以輸出介于兩者之間的任意一種形狀的高質量光束。光束形狀可直接從光纖端口快速切換，光路中沒有降低光束質量、穩定性或可靠性的部件。AFX光纖激光器的輸出功率最高可達1.2kW，而且該技術可擴展到更高的功率，也可以實現其他光束形狀輸出。

雖然本文給出的結果是在AFX單激光器配置下實現的，但其優點也適用于多激光器配置（如雙激光器、四激光器、八激光器等）。多激光器配置可以顯著提高L-PBF的生產效率。AFX提高了L-PBF的性能，為L-PBF成為主要的金屬增材制造技術鋪平了道路。此外，AFX具有控制局部微觀結構和材料性能的獨特能力，可以打印出其他方式無法實現的高質量工件。

參考文獻：

1. See https://youtu.be/TsumIEibbk8 (see results at time 49:45).

2. J. Grünewald, F. Gehringer, M. Schmöller, and K. Wudy, Metals, 11, 12, 1989 (2021); https://doi.org/10.3390/met11121989.

3. See https://youtu.be/bvqBRtGxwCY.

4. See https://youtu.be/OVemoWOtu5w.

5. See https://youtu.be/OjUj23tH4fg.

6. See https://youtu.be/wbMEf1i28Ko.

作者：Rob Martinsen，Andreas Rudolf，Dahv Kliner

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