弗朗霍夫研究所开发全新的光束成型方法，可提高激光粉末床熔融（LPBF）工艺效率

弗劳恩霍夫应用光学和精密机械研究所（Fraunhofer ILT）表示，定制光束轮廓可提高部件质量，减少材料损耗。

一种全新的光束成型方法即将让增材制造变得更加灵活和高效：弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）开发了一种新平台，用于优化激光粉末床熔融（LPBF）工艺。

ILT表示：“定制光束轮廓可提高部件质量，减少材料损耗，并可实现单光束工艺沉积速率的扩展。该研究机构将于11月19日至22日在德国法兰克福举行的Formnext展览会上展示这一测试系统。

ILT与亚琛工业大学光学系统技术研究所正携手合作，创建一个测试系统，以便在高达2千瓦的功率等级内研究复杂激光光束轮廓，从而为工业合作伙伴定制解决方案。

目前，许多LPBF工艺中常见的激光功率约为300至400瓦。然而，ILT指出，它们所使用的标准高斯激光光束存在显著缺点：光束中心功率高度集中，会导致局部过热和不良的材料蒸发，以及工艺不稳定，这两者都会因飞溅和孔隙而损害部件质量，意味着LPBF系统中可用的激光功率（通常高达1千瓦）无法用于大多数材料。

“加快工艺速度的一种方法是并行使用多个激光器和光学系统，”弗劳恩霍夫激光技术研究所激光粉末床熔融部门的博士生马文·基佩尔斯说。“然而，成本至少与安装系统的数量成正比。”

提升生产力

在实际应用中，这些系统并不能总是得到均匀利用，这意味着生产力无法与功率的增加成正比提高。因此，一个颇有前景的方法是提升单光束工艺的生产力，该方法也可以应用于多光束系统。

先前的研究表明，即使是矩形、环形或两个高斯分布组合的简单光束形状，在部件质量和工艺速度方面也能产生令人鼓舞的结果。由于缺少必要的系统技术，更复杂的光束形状的潜力迄今在很大程度上尚未得到探索。

“由于激光光束和材料在工艺中的相互作用动态复杂，模拟只能提供熔池实际行为的指示，”基佩尔斯说，他目前正在设置一种新型系统，该系统使用LCoS-SLM（硅基液晶空间光调制器），这将使研究人员能够研究LPBF工艺中几乎任何光束轮廓。

由于该系统具有高达2千瓦的激光功率，因此它是测试LPBF工艺中极高功率水平下新光束形状的平台，从而能够为特定的LPBF任务确定合适的系统技术。“我们可以有针对性地优化LPBF工艺，”基佩尔斯说。

▲上方：液晶硅上系统（LCoS）空间光调制器（SLMs）可通过选择性弯曲激光束的波前，在激光粉末床熔融（LPBF）工艺中生成几乎任何形状的光束 轮廓；右侧：马文·基佩尔斯（Marvin Kippels）；下方：液晶硅上系统（LCoS）空间光调制器（SLM）的相位掩模反射后，激光束强度在传播过程中的重新分布。© 德国亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT, Aachen, Germany）。

灵活的光束轮廓

目前，系统技术通常被宣传为能够产生特定的光束形状，如环形或平顶帽形轮廓。然而，选择这些光束形状并不是基于对潜在工艺机制的深入理解，这在有关该主题的有时相互矛盾的文献中有所体现。

只有从根本上理解这些工艺，研究才能具体确定哪些调整能实现既定目标，如特定的熔道几何形状。这意味着必须针对应用开发和优化光束形状，然后理想情况下可以在公司中实现，而无需使用LCoS-SLM技术。

“我们才刚刚开始，但我们已经可以看到光束成型为LPBF工艺带来的巨大潜力，”基佩尔斯说。“没有一种完美的光束形状；每个应用都有其自身的要求。得益于我们的灵活光束成型技术，我们可以为每个工艺找到理想的分布，为特定任务找到最佳工艺参数。”