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增材制造 3D打印
来源: | 作者:莱速科技 | 发布时间: 2026-04-12 | 28 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:

增材制造

相关产品：Dataray光束质量分析仪、IPG 500-3000W单模连续光纤激光器


增材制造被公认为一项颠覆性技术，其优势包括：几何自由度更高、可实现轻量化整体构件而非装配组件、定制化零件更易实现、材料消耗与废料更少，以及由此带来的综合效率提升。例如在航空航天领域，金属 3D 打印的喷气发动机零件可制备复杂内部流道与冷却结构，从而提升效率与性能。
这项快速发展的技术仍存在成本、加工时间及零件质量（含表面质量）方面的局限。不过，增材制造领域正不断取得突破性进展，其中一种增减材混合制造方案已得到广泛应用。
金属增材制造工艺，如粉末床熔融（PBF）、选择性激光烧结 / 熔化（SLS/SLM）、激光 / 直接金属沉积（LMD/DMD），通常需要对激光参数进行精密控制才能获得良好效果，包括光束尺寸、光束形态、同轴度。尽管各工艺具体方法有所差异，采用光束轮廓测量系统监测光束参数，可显著提升产品质量与工艺重复性。

增材制造 —— 激光应用实例

可见光

  • 采用二极管泵浦固体激光器（DPSS） 脉冲绿光激光器（约 50–500 W 及以上）熔化铜材

近红外（NIR）& 红外（IR）

  • 采用连续波光纤激光器（约 100–1000 W）实现金属粉末床熔融

  • 采用连续波 CO₂激光器（约 20–100 W）进行聚合物选择性激光烧结（SLS）

增材制造 —— 关键光束参数

光强 / 辐照度 / 能量密度/连续激光 & 脉冲激光

合理的光束光强分布可保证向材料传递足够能量，从而实现工艺可重复性、更高零件质量与更少缺陷。分布不良会导致：熔池区域难以控制、熔化 / 结合不充分或过熔、结构完整性与强度下降、有害孔隙、匙孔效应、材料汽化及表面缺陷等。定期进行光束轮廓检测可最大限度减少此类问题。
左侧二维光束轮廓为高斯光束光强分布：中心（白色）光强最高，向外围（蓝色）逐渐衰减。此类轮廓可反映光强分布的相对特征。增材制造中其他光束形态见下文 “光束形态”。
束腰处功率除以光斑尺寸，可得到连续光束的功率密度。增材制造常用激光功率范围：约 100–1000 W 及以上。

束腰 / 光斑尺寸 / 焦点

增材制造中，工件通常位于聚焦激光的焦平面。在焦点处光束直径达到最小值，常称为光斑尺寸或束腰直径。将光束聚焦至更小光斑可提高该区域功率密度，反之则降低。在指定光斑尺寸下施加最优功率或能量至关重要；光斑过大或过小均会影响目标熔覆区域，并可能引发前述缺陷。
增材制造常用光斑尺寸范围：约 20–200 μm 以上。

焦平面 / 焦距

非准直激光束的焦平面通常是光束聚焦至最小光斑的位置。焦距为从聚焦透镜沿传输轴至焦平面的距离，会随激光光源、聚焦光学元件及可能的光束整形装置而变化。多数情况下焦平面与材料表面或加工面重合，也可进行离焦以增大激光截面积，从而提升打印速率、缩短加工时间。

光束形态

常见形态：

  1. 高斯型：光强 / 能量密度从光束中心沿径向逐渐衰减 —— 定向熔池常用光斑形态

  2. 平顶型（Top hat）：光束截面内光强 / 能量密度均匀，可实现恒定能量输入

  3. 环形（甜甜圈型）：见上图图示

光束轮廓仪可快速、有效地量化光束相对光强分布，验证光束形态。

光束传输特性

光束传输描述激光在自由空间中的传播行为，主要参数包括：M²（光束质量因子）、发散角、指向稳定性。
M²表征光束光强分布接近理想高斯光束的程度，可反映光束聚焦性能：

  • M² = 1：理想高斯光束

  • M² 接近 1（低 M²）：可聚焦至更小光斑，准直性更优

  • M² > 1：聚焦性能变差，高斯特性减弱

发散角描述光束在远场（远超瑞利长度）从束腰向外扩散的角度。发散角接近 0 可判定光束为准直光（例如聚焦前），有助于确保聚焦后光斑尺寸与位置准确。
指向稳定性为激光传输方向相对光轴的偏角，数值为 0 表示与光轴完全同轴。它表征激光远离光源时的中心保持能力，包含定位精度与重复性。指向测量有助于优化光束同轴度。例如：激光同轴偏差会改变粉末床能量输入，降低产品质量与良率；环境或高功率激光器热波动、衰减及时间因素导致的轴向失准，会影响 3D 打印层与特征精度。


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