通过光束整形提高激光增材制造SLM生产效率
江苏激光联盟导读：SLM是增材制造技术中最有前途的技术之一。SLM技术可以从3D原型采用粉末直接制造出3D形状的金属和合金。如今SLM技术的生产效率还比较低，从而限制了该技术更为广泛的应用以及将该技术作为一种新技术来解决先进设计遇到的难题采用SLM技术进行解决的可能性。提高SLM生产效率的解决方案可以让金属3D打印在很短的时间内打印出复杂的3D形状来。
本文提出的解决方案是安装了光束整形系统和在线监测系统来提高生产效率。光束整形系统是通过整形来改变光束能量的空间分布。选用CoCrW粉末作为研究对象。该粉末的熔化性能非常好。使用前对CoCrW粉末进行了预处理，粉末粒度不超过20微米。实验时，每种光束光斑模式下采用两套工艺参数进行实验。对得到的样品采用常规的检测分析材料缺陷的办法进行观察分析。
图1 采用光束整形改变激光能咯昂分布的效果总图
采用扫描电镜（SEM）对样品的成分进行分析。每种光束光斑模式下均会形成同凝固相关的缺陷。环形光束模式下进行SLM制造3D样品时所采用的参数范围明显要比高斯光斑模式下的参数范围要宽泛的多。对于常规的高斯分布SLM设备，其典型的加工参数为：激光功率功率不超过100W、扫描速度不超过30mm/s。在本实验中采用平顶光和环形光之后，激光功率可以达到1kW，扫描速度可以达到300mm/s。显微结构分析结果表明同采用高斯激光光束时相比几乎无差别。在线监控表明光束整形系统可以降低SLM可视性的负面作用。
SLM技术可以说是最有发展前途的金属增材制造技术之一。SLM技术可以制造3D部件或复杂形状的功能部件。该技术已经逐渐在汽车、航空航天、核工业和个性化假体和植入物中的设计和个性化生产中得到应用。该技术的基本原理是基于3D数字模型逐层熔化堆积而实现3D实体的制造。该技术应用的一个最大的问题就是产能低下，效率低。如何提高设计精度和改进技术来显著提高制造速度是该技术应用的一大难点。目前尚没有解决的提供产能和生产效率的现状限制了该技术的应用和更大范围的应用。产能（生产效率）是用来表达制造效率的测量结果的。同时间相关，但不能直接用时间来直接表述，如形状的复杂程度和最终产品质量相关的生产效率。SLM技术中的产能一般指依据要求制造的产品在单位时间内所能生产出来的体积量。
图2 SLM工作时的状态以及由于能量过高造成稳固梯度过大的状态
直接增加激光功率和扫描速度来提高SLM的产能往往会带来相反地效果，如熔池过热而形成飞溅或不期望生成的缺陷。图2b即为温度过高造成的激光能量损失、金属元素的蒸发以及由于熔池过热而造成产能反而下降。可能的一个解决方案就是对激光束和能量密度分布进行优化调制。
图3 采用高斯分布的激光能量的设备制造厂家及其高斯分布的激光能量
图3 三种不能的激光能量分布模式图：（a） 高斯分布（b）平顶粉末 （c） 环形分布
目前已经有部分研究工作是针对SLM 提高产能效率的。从理论上来讲，提高SLM产能从能量转换效率的角度来说，有如下几个途径：
提高能量效率、优化激光波长，这是从光源本身出发；
提高光学元件的转换和传输效率，即损失最小，利用率最高的角度，这是在传输部分提出的方案；
提高粉末表面的吸收效率以便吸收更多的激光能量，减少能量耗散，这是从激光作用端提出的解决方案。
与此同时，激光能量的吸收可以通过优化熔池的传热和传质来实现。可以通过对高斯分布的激光能量转换成其他形式的分布来提高效率。有研究指出，高斯分布的TEM00的分布模式可以通过光束整形变成反高斯（环形）分布或平顶分布。光束模式的转换可以在许多现代工业中得到应用，如切割、雕刻、直到现在，光束整形虽然在其它行业中得到了应用，但在SLM中的应用尚处于并未系统的研究阶段。理论研究指出，光束整形后生产效率至少提高两到三倍。而光束整形的实际应用则是当前的工作目标。
图4 实验装置示意图和实物图
常见的高斯分布的激光能量存在的一个最大的问题就是大约有63%的能量会损失掉，仅仅只有37%的能量用于加工。这表明高斯分布的能量应用时浪费较多。很明显，如果对能量进行重新分配，并提供平顶光或环形光可以提高激光能量的应用效率和提高SLM工艺的加工效率。
现代工业中常见的SLM设备基本都是采用高斯分布的激光能量，如图3所示。分析数据表明高斯分布的激光能量可以满足较宽工业应用的需求，如激光熔覆、焊接、蚀刻、雕刻、切割等。然而，在某些精密的刻蚀工业中，如获得U形槽、表面淬火、SLM和精密切割等，类似刃口形状的高斯分布的熔池就不是最理想的状况。研究发现，高斯分布的激光能量在以上领域的应用存在较多的问题。
1.熔池中心的粉末会发生过热，而熔池边缘却没有足够的能量来实现粉末的熔化；
2.刃口形状的熔池会导致前层熔道的二次熔化和相互扩散；
3.熔池中心额外的能量会造成熔池中心和边缘巨大的温度梯度，这会导致未熔化粉末的存在、中心产生等离子体。元素蒸发气化等；
4.未熔化粉末从边缘进入熔池中心，并同液相熔池相互扩散，同周围的液相进行动力学交互作用。
实验采用CoCrW粉末，三种光斑模式进行实验，如图3所示。图4为实验装置示意图和实物图。
图5 SLM制造中主要的影响参数
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图6 SLM中的主要控制参数
图7 三种光束模式下的多层截面图： （top） 高斯分布（mid）平顶粉末 （bottom） 环形分布
图8 三种光束模式下进行单道沉积时的截面图
图9 三种不同的光斑模式下模拟得到的激光能量的分布
参考文献：
https://doi.org/10.1051/meca/2015082，Mechanics & Industry 16, 709 (2015)
Laser beam profiling: experimental study of its influence on single-track formation by selective laser melting
文献来源：
https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.05.033,On productivity of laser additive manufacturing,Journal of Materials Processing Technology, Volume 261, November 2018, Pages 213-232