formnext 2024：灵活的光束成型平台可优化LPBF工艺

弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）开发了一个新平台，用于优化激光粉末床熔融（LPBF）工艺。研究所指出，定制的光束轮廓可提高部件质量，减少材料损耗，并可提高单光束工艺的堆积率。他们将在11月19日至22日于德国法兰克福举行的Formnext 2024展览会上展示该测试系统。

研究所和亚琛工业大学的光学系统技术主席正在合作创建一个测试系统，使他们能够研究功率等级高达2kW的复杂激光光束轮廓，以便为工业合作伙伴定制解决方案。目前，在许多 LPBF工艺中，激光功率通常在300-400W之间。然而，他们使用的标准高斯激光束有很大的缺点。

研究所表示：光束中心的高功率集中会导致局部过热和材料蒸发以及工艺不稳定，这两种情况都会因飞溅和气孔而影响部件质量，这意味着LPBF系统中的激光功率（通常高达1kW）无法用于大多数材料。研究所激光粉末床熔融部门的博士生Marvin Kippels说：加速工艺的一种方法是并行使用多个激光器和光学系统。然而，成本至少与安装的系统数量成正比。

上图：LCoS-SLM可以通过选择性地弯曲激光束的相位前沿，在LPBF工艺中产生几乎所有的光束轮廓；右图：Marvin Kippels；下图：在LCoS-SLM的相位掩膜上反射后，激光束强度在传播过程中的重新分配

提高生产率
在实际应用中，这些系统不可能始终均匀地使用，这意味着生产率的提高不可能与功率的增加成正比。因此，提高单光束工艺的生产率是一种可行的方法，这种方法也可应用于多光束系统。

以往的研究表明，即使是矩形、环形或两种高斯分布组合的简单光束形状，也能在工件质量和加工速度方面产生良好的效果。迄今为止，由于缺乏必要的系统技术，更复杂光束形状的潜力在很大程度上尚未得到开发。

Kippels说：“激光束和材料在加工过程中的相互作用因其动态性而非常复杂，模拟只能提供实际熔池行为的指示。”他目前正在建立一种使用LCoS-SLM（硅基液晶-空间光调制器）的新型系统，这将使研究人员能够研究LPBF加工过程中的几乎所有光束轮廓。

“由于该创新系统的激光功率高达2kW，因此它是在LPBF工艺中以极高功率水平测试新光束形状的平台，这样就能为单个LPBF任务确定合适的系统技术，”Kippels说，“我们可以有针对性地优化LPBF工艺。”

灵活的型材
目前，系统技术通常被宣传为能够生产特定形状的横梁，如环形或顶帽型材。然而，这些横梁形状的选择并非基于对基本工艺机制的深入了解，这反映在有关该主题的有时相互矛盾的文献中。

只有从根本上了解工艺，才能有针对性地确定采用哪种调整方式来实现确定目标，例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，然后在理想情况下无需 LCoS-SLM技术即可在公司内实施。

Kippels说：虽然我们还处于起步阶段，但已经看到了光束整形技术为LPBF工艺带来的巨大潜力。没有一种完美的光束形状，每种应用都有自己的要求。得益于灵活的光束整形技术，可以为每种工艺找到理想的分布，为相关任务找到最佳的工艺参数。