【行业资讯】光束整型技术：重塑金属3D打印的未来格局

一、传统金属 3D 打印的困境

在当今制造业中，金属 3D 打印技术以其独特的优势，如能够制造复杂几何形状的零件、实现个性化定制等，成为了众多领域关注的焦点。然而，传统金属 3D 打印技术在实际应用中却面临着诸多挑战，其中光束特性带来的问题尤为突出。

以激光粉末床熔融（L-PBF）技术为例，这是一种常见的金属 3D 打印技术，它通过高能激光束扫描金属粉末床，使粉末逐层熔化并凝固，从而构建出三维实体零件。在这个过程中，传统的高斯光束是最常用的能量源。高斯光束的能量呈中心高、边缘低的分布特性，就像一个顶部尖锐的小山丘，能量集中在中心区域。这种能量分布在金属 3D 打印中会引发一系列严重的问题。

由于高斯光束中心能量过高，会导致熔池温度梯度极大。在熔池内部，靠近光束中心的区域温度极高，而边缘区域温度相对较低，这种巨大的温度差异会使得熔池内的液体金属流动变得极为复杂，形成强烈的对流和湍流。这种不稳定的熔池状态会导致飞溅现象频繁发生，大量的金属液滴从熔池中喷射出来，不仅造成材料的浪费，还可能污染打印设备，影响后续打印过程的稳定性。

熔池的不稳定性还会导致孔隙率增加。当熔池内的液体金属流动紊乱时，气体难以从熔池中排出，就会在凝固后的零件内部形成孔隙。这些孔隙会严重降低零件的力学性能，使其在承受载荷时容易发生破裂，极大地限制了金属 3D 打印零件在一些对强度要求较高的领域，如航空航天、汽车制造等的应用。

高斯光束的 “热点” 效应也是一个不容忽视的问题。由于能量集中在中心，会在熔池中心形成一个高温 “热点”，这会引发熔池的过度汽化和蒸发，形成匙孔缺陷。匙孔的存在不仅会降低零件的致密度，还会在零件内部产生应力集中，进一步影响零件的质量和可靠性。

为了解决这些问题，研究人员尝试通过调整激光功率、扫描速度等参数来优化打印过程。但这些方法的优化空间十分有限，因为它们无法改变高斯光束本身的物理特性，就像是在不改变小山丘形状的前提下，试图让它的能量分布变得均匀，这几乎是不可能完成的任务。因此，传统金属 3D 打印技术迫切需要一种新的解决方案，来突破这些瓶颈，而光束整形技术的出现，为解决这些问题带来了新的希望。

二、光束整型的核心原理与技术路径

为了突破传统金属 3D 打印中高斯光束带来的困境，光束整形技术应运而生。这一技术通过对激光束的能量分布、相位等特性进行精确调控，为金属 3D 打印带来了全新的可能性。

从原理层面来看，光束整形技术主要通过以下几种方式实现对激光束的重塑：

1.能量再分配：利用非球面透镜组、衍射光学元件（DOE）等光学元件，将传统的高斯光束转换为其他形状的光束，如平顶光束、贝塞尔光束或环形光束。以非球面透镜组为例，它依据能量守恒定律构建输入 - 输出光线映射函数，能够巧妙地实现激光束能量的重新分配 。比如将高斯光束那种中心强、边缘弱的能量分布，转变为更加均匀的分布形式。而衍射光学元件则是基于衍射理论设计的纯相位型调制元件，通过刻蚀的方式将特定的衍射相位添加到光学元件上，当光束通过时，实现光束的波前变换，从而达到整形的目的。这种能量再分配的方式，能够有效降低熔池的温度梯度，减少因温度不均导致的各种缺陷。

2.动态调控：采用液晶空间光调制器（SLM）是实现光束动态调控的关键。液晶空间光调制器利用液晶分子的双折射与扭曲向列效应，通过精准编程改变电压，就可以实时动态地调控光束的相位及幅度，进而实现多种光斑形状的变化，如方形、环形、星形等 。在打印复杂结构的金属零件时，可以根据不同部位的需求，实时调整光斑形状，使激光能量的分布更加贴合零件的结构特点，极大地提高了打印的灵活性和精度。

3.多模优化：对于多模激光束，微透镜阵列发挥着重要作用。微透镜阵列核心系统由微透镜阵列结构与聚焦透镜组成，它能够将多模激光束的强度进行重新分配，优化输出光束的均匀性。在实际应用中，多模激光束的能量分布往往较为复杂且不均匀，微透镜阵列通过将入射光束分成多个子光束，并对子光束进行聚焦和叠加，使得最终输出的光束能量分布更加均匀稳定，从而提升了能量利用率，为高质量的金属 3D 打印提供了有力支持。

通过这些技术手段，光束整形能够产生多种具有独特优势的光束，在金属 3D 打印中发挥重要作用：

4.平顶光束：其能量在横截面上均匀分布，就像一个平坦的桌面，不存在能量集中的 “热点”。这种均匀的能量分布使得熔池的温度更加均匀，极大地减小了熔池温度梯度，从而促进了晶粒的均匀生长，提高了能量的利用效率。在打印过程中，能够有效抑制金属的蒸发与飞溅现象，显著提高打印效率、零件密度以及表面质量。在制造航空航天零部件时，平顶光束可以确保零件表面更加光滑，内部结构更加致密，从而提升零件的性能和可靠性。

5.贝塞尔光束：具有独特的点 - 环光强分布，中心光斑具有无衍射、焦深长的特性，并且还具备自修复特性。在金属 3D 打印中，贝塞尔光束可以形成深窄的熔池，增强层间连接。其无衍射特性使得在传播过程中能量能够保持较为集中，减少了能量的分散，进而降低了孔隙和 “匙孔” 形成的可能性，有利于生成等轴晶，提升零件的质量。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员将贝塞尔光束应用于金属构件 3D 打印，通过高速成像观察发现，熔池湍流和 “飞溅物” 大幅减少，制造出的零部件更致密、强度更高且拉伸性能更好 。

6.环形光束：能量呈中心低边缘高的环形分布，这种分布特点使得它能够拓宽熔池，支持大层厚高速打印。在打印过程中，环形光束可以形成较浅的熔池，并且经历两次加热冷却过程，这降低了粉末未熔的风险。不过，由于其能量分布的特点，在一定程度上会减弱层间连接，因此在实际应用中需要根据具体情况进行参数优化，以充分发挥其优势。

三、适配的激光打印方式与材料

光束整形技术凭借其独特的优势，在多种金属 3D 打印工艺中展现出了巨大的应用潜力，尤其在激光粉末床熔融（L-PBF）和激光熔覆（LMD）这两种工艺中，发挥着关键作用。

在激光粉末床熔融（L-PBF）工艺中，光束整形技术的优势得到了淋漓尽致的体现。L-PBF 工艺是将金属粉末均匀铺展在粉末床上，通过高能激光束逐层扫描熔化粉末，使其逐层凝固堆积，从而构建出三维金属零件。传统高斯光束在 L-PBF 工艺中存在诸多问题，而光束整形技术能够有效解决这些难题。通过将高斯光束整形为平顶光束、贝塞尔光束或环形光束等，可以精确调控激光能量在粉末床上的分布，显著改善熔池的稳定性和温度均匀性。采用平顶光束可以使熔池温度更加均匀，减少因温度梯度大而产生的飞溅和孔隙等缺陷；贝塞尔光束能够形成深窄的熔池，增强层间连接，减少缺陷的产生，有利于生成等轴晶，提升零件的质量；环形光束则可以拓宽熔池，支持大层厚高速打印，在一定程度上降低粉末未熔的风险 。这些优势使得光束整形技术在 L-PBF 工艺中成为提升打印质量和效率的关键手段，为制造高精度、高性能的金属零件提供了有力保障。

在激光熔覆（LMD）工艺中，光束整形技术同样具有重要的应用价值。LMD 工艺是通过将金属粉末或丝材送入激光束的焦点区域，使金属材料在激光的作用下熔化并与基体材料熔合，从而实现零件的制造或修复。在 LMD 工艺中，光束整形技术可以优化激光能量的分布，提高熔覆层的质量和性能。通过将激光束整形为特定的形状和能量分布，可以使熔覆层的温度更加均匀，减少热应力和变形，提高熔覆层与基体材料的结合强度。在修复大型金属零件时，采用合适的光束整形技术可以使熔覆层更加均匀地覆盖在零件表面，提高修复的精度和可靠性，降低修复成本。

光束整形技术适用于多种金属材料的 3D 打印，为不同领域的应用提供了丰富的选择：

1.钛合金：钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性好等优点，在航空航天、生物医疗等领域有着广泛的应用。在钛合金的 3D 打印中，光束整形技术能够发挥重要作用。通过将激光束整形为平顶光束或贝塞尔光束，可以细化晶粒，使零件的致密度超过 99.95%。在制造航空发动机叶片时，采用光束整形技术打印的钛合金叶片，其内部结构更加致密，力学性能得到显著提升，能够满足航空航天领域对零件高性能的严格要求。

2.铝合金：铝合金具有质量轻、强度较高、加工性能好等特点，在汽车制造、航空航天等领域应用广泛。在铝合金的 3D 打印中，光束整形技术可以带来诸多优势。采用环形光束或平顶光束能够减少气孔的产生，同时提升打印效率 1 - 3 倍。这使得在制造汽车发动机缸体、飞机机翼等复杂薄壁件时，不仅能够保证零件的质量，还能大大缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本。

3.不锈钢与模具钢：不锈钢和模具钢在工业生产中应用十分普遍，常用于制造模具、机械零件等。在不锈钢和模具钢的 3D 打印过程中，光束整形技术可以优化熔池的稳定性。通过调整激光能量分布，减少熔池的波动和飞溅，降低孔隙率，从而提高零件的质量和精度。这不仅能够减少后续的加工和处理工序，降低后处理成本，还能提高模具的使用寿命。在制造注塑模具时，采用光束整形技术打印的模具，其随形冷却水道更加精确，能够有效提高模具的冷却效率，提升塑料制品的质量。

4.高反射材料（如铜合金）：铜合金等高反射材料由于其对激光的反射率较高，在 3D 打印过程中存在能量吸收困难、加工难度大等问题。光束整形技术为解决这些问题提供了有效的途径。通过将激光束整形为特定的形状，如环形光束或平顶光束，可以增加激光能量在材料表面的吸收率，拓宽工艺窗口，减少能量损失。这使得在打印铜合金零件时，能够实现更稳定的熔化和凝固过程，提高打印质量和成功率，为高反射材料在 3D 打印领域的应用开辟了新的道路。

高斯与环形3D打印对比

四、行业变革与应用案例

在效率提升方面，光束整形技术的效果显著。以环形光斑为例，在金属 3D 打印中，它能够与大层厚工艺完美配合，实现打印效率的大幅提升。相关研究数据表明，在打印不锈钢材料时，采用环形光斑结合大层厚工艺，打印效率相比传统方式实现了翻倍增长 。在钛合金的打印过程中，光束整形技术使扫描速度提高了 50%，大大缩短了打印时间，提高了生产效率。这使得企业在生产金属零部件时，能够在更短的时间内完成订单交付，满足市场对产品快速交付的需求，增强了企业的市场竞争力。

在质量优化上，贝塞尔光束发挥了重要作用。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究成果显示，应用贝塞尔光束进行金属 3D 打印，能够有效减少熔池湍流，降低幅度达到 75%。这使得零件内部的微观结构更加均匀致密，显著提升了零件的质量。具体表现为，零件的表面粗糙度降低了 30%，拉伸强度提升了 10%。这对于一些对零件质量和性能要求极高的领域，如航空航天、高端装备制造等，具有重要意义。能够确保零件在复杂的工作环境下，依然保持稳定可靠的性能，提高了产品的安全性和使用寿命。

成本降低也是光束整形技术带来的一大优势。由于光束整形技术能够减少打印过程中产生的缺陷，从而降低了对后处理工序的依赖。在传统的金属 3D 打印中，为了消除零件内部的孔隙、提高表面质量等问题，往往需要进行大量的后处理工作，这不仅耗费时间和人力成本，还增加了材料的损耗。而采用光束整形技术后，零件的质量得到了显著提升，减少了后处理的需求。有研究表明，采用光束整形技术的单台设备，其生产率相当于 4 台传统高斯光束设备，这在很大程度上降低了生产成本，提高了生产效益。

在航空航天领域，光束整形技术为制造高性能的零部件提供了有力支持。钛合金由于其优异的性能，如高强度、低密度、耐高温等，在航空航天领域应用广泛。利用光束整形技术打印的钛合金发动机叶片，内部结构更加致密，能够承受更高的温度和压力，提高了发动机的效率和可靠性。在制造轻量化支架时，通过精确控制激光能量分布，能够在保证支架强度的前提下，最大限度地减轻重量，实现飞机的轻量化设计，降低燃油消耗，提高飞行性能。

医疗植入物领域也是光束整形技术的重要应用场景。多孔钛合金骨支架是一种常见的医疗植入物，它能够促进骨组织的生长和融合，提高植入物的稳定性和生物相容性。采用光束整形技术打印的多孔钛合金骨支架，其孔隙结构更加均匀，有利于细胞的黏附和生长，能够更好地满足人体的生理需求，为患者提供更好的治疗效果。

光束整型环形3D打印流道板

五、未来展望与挑战

光束整形技术为金属 3D 打印带来了革命性的变化，其在提升打印质量、效率和拓展应用领域等方面的显著优势，使其成为推动金属 3D 打印行业发展的关键力量。展望未来，光束整形技术有望在金属 3D 打印领域取得更为辉煌的成就，同时也面临着一些挑战。

多物理场耦合模拟与优化也将成为未来的研究重点。金属 3D 打印过程涉及到多种物理现象，如热传导、流体流动、凝固等，这些物理现象相互作用，对打印质量产生重要影响。通过建立多物理场耦合模型，能够深入理解打印过程中的物理机制，预测打印缺陷的产生，并通过优化光束整形参数和打印工艺，减少缺陷的出现，提高打印质量。这将为金属 3D 打印的工艺优化和质量控制提供更加科学的依据。

多光束协同也是一个需要攻克的难题，实现多激光束同步整形，适应大型零件制造。随着对大型金属零件需求的不断增加，需要采用多激光束同时进行打印，以提高打印效率。然而，实现多激光束的同步整形和协同工作并非易事，需要解决光束之间的相位匹配、能量平衡等问题，确保多个光束能够在打印过程中相互配合，共同完成大型零件的制造。

工艺窗口扩展也是未来的挑战之一，需要探索更多金属材料（如高温合金）的适配性。不同的金属材料具有不同的物理特性，对光束整形的要求也各不相同。目前，光束整形技术在一些常见金属材料的打印中取得了较好的效果，但对于一些特殊材料，如高温合金、难熔金属等，还需要进一步研究和优化，以拓展工艺窗口，实现这些材料的高质量打印。

未来，动态光束整形技术将与 AI 算法、多物理场仿真深度融合，推动金属 3D 打印向智能化、产业化迈进。AI 算法可以根据零件的设计要求和材料特性，自动优化光束整形参数和打印工艺，实现智能化的打印过程。多物理场仿真则可以在打印前对打印过程进行模拟和预测，提前发现潜在的问题，并进行优化，提高打印的成功率和质量。这将为高端制造领域提供更可靠、高效的解决方案，推动金属 3D 打印技术在航空航天、汽车制造、医疗等领域的广泛应用，为这些领域的发展注入新的活力。

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