全文3700字，阅读需7分钟。本文分享金属3D打印激光光束整形的技术简述、价值、行业发展新动向。
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AM易道导语：
AM易道这篇文章的动因是获悉激光器企业nLight将在德国法兰克福举行的Formnext 2024展会上推出新型光束整形激光器Corona AFX-2000。
进而聊聊光束整形。
不仅将功率提升到前所未有的2千瓦水平，并且，据称它在实际应用中展现出的高效率，以下是Spec：
其通过单一的I/O接口，系统可以精确控制多达8个激光输出。
在航空航天领域的商业验证中，这款激光器帮助用户实现了铝合金零件生产速度提升3倍的突破性成果。
AM易道资深读者对于nLight很关注，其核心技术创新在于其动态光束整形技术。
其能实现环形光束模式快速切换。
通过精确控制能量分布，AFX-2000可以在保证精细特征加工质量的同时大幅提升生产效率，更重要的是确保了在高功率输出下的工艺稳定性。
AM易道今日这篇文章仅简述光束整形的方案简述、解决的痛点和价值，未来有机会再给读者从学术角度分享光束整形的内核。
传统激光的困境：解密光束整形技术
在深入了解光束整形带来的革新之前，我们需要先理解为什么传统激光技术在金属3D打印中面临瓶颈。
以下的认知来自于业内专家，由AM易道整理整合。
传统激光器普遍采用高斯分布的光束模式，这实际上就是我们熟知的"钟形曲线"。
这种能量分布模式导致激光中心区域的能量过于集中，而边缘区域的能量又相对不足。
这种不均匀会引发一系列连锁反应，最终影响整个打印过程的稳定性。
当熔池稳定性下降时，就会出现飞溅效应。
过度的能量输入会导致局部材料急剧蒸发，产生突然膨胀引起的反冲力，将材料垂直推出熔池。
这些被推出的飞溅物不仅会吸收部分激光能量，还可能落在已经成形的零件表面上，造成缺陷。
更糟糕的是，这些飞溅物的尺寸通常是普通金属粉末颗粒的3-4倍，这意味着它们会显著影响激光能量的吸收，降低最终产品的质量。
这种不稳定还会引发更复杂的物理效应。
由于伯努利效应（就是让飞机保持在空中的那个原理），激光加热过程会在光束路径周围产生气流。
这种湍流会将周围未完全烧结的粉末颗粒卷入工艺区域，进一步加剧工艺的不稳定性。
为了应对这些挑战，业界发展出了多种光束整形技术路线。
目前主要有两种方案：一种是直接在光纤激光器内部实现整形，另一种是在光学链路中添加光学元件。
第一种方案采用内外双光纤结构，可以仅使用外部光纤创建环形，或者在中间保持高斯分布的同时在外部形成环形强度。
以nLight公司为代表就采用了这种方案；
而以色列的Civan Lasers甚至开发出了可以让用户自定义激光形状的系统。（下图）
另一种更经济的方案是使用光学元件。
可以在光学链路中放置一些光学元件，这些元件可能是衍射透镜，基于相位调制原理工作。
虽然这种方案无法实现快速切换，但成本相对较低，根据Fraunholfer人员说法，成本可以控制在千元欧元左右，对某些用户来说具有较强的性价比优势。
值得注意的是，这个领域仍在快速发展。
弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）也开发出了一个突破性的新平台。
该平台采用液晶硅空间光调制器（LCoS-SLMs）技术，可以在3D打印过程中选择性地调整激光的相位前沿。
未来有机会AM易道将解读LCoS-SLM技术。
光束整形：工艺效果的质量飞跃
当我们谈论光束整形技术时，最直观的问题就是：它到底能给金属3D打印带来多大的改进？
来自实验室和产业界的数据都给出了相当正面的答案。
在工艺稳定性方面，弗劳恩霍夫IAPT团队通过采用特定的光束整形技术，实现了飞溅量减少30-40%的突破。
这个数据的重要性不言而喻，飞溅的显著减少意味着更高的工艺稳定性和更好的零件质量。
以IN718材料为例，用整形环光打印出来的塑性和强度都有直接的提升。
在生产效率方面，业界曾有研究宣称可以提高4-6倍的速度。
但据Fraunholfer团队指出，在层厚或聚焦直径相同的条件下进行对比，实际可以实现的速度提升通常在1.5-2.5倍之间。这已经是相当可观的提升了。
在支持航空航天、国防和汽车市场的客户验证中，据称，Aconity3D使用nLight 2000系列打印铝合金零件的速度比领先的大型3D打印机快3倍。
技术对于处理铝合金、铜合金等高反射率材料也有重要提升。
但光束整形技术的优势还不止于此。通过更均匀的能量分布，它能够显著改善熔池的动力学特性。
更好的激光束轮廓与具体应用相匹配，就能获得更好的能量输入和相关的工艺稳定性。
AM易道认为，光束整形技术正在重新定义金属3D打印的性能边界。
它不仅解决了传统工艺中的一些根本性问题，能够直接提升打印性能，还为进一步提升金属3D打印的工业化应用水平。
特别是在当前业内追求大尺寸、多激光、大零件、高精度等多重要求背景下，效率和稳定性往往成为瓶颈。
底层光学方案的革新，能够同时提升质量和效率的技术创新，无疑具有重要的战略意义。
最重要的是，这些改进都已经得到了实际应用的验证。
从研究机构的实验数据到工业客户的使用反馈，都证实了光束整形技术的实际效果。
这意味着这项技术已经具备了推广应用的条件。
产业化进展：从实验室走向市场
随着光束整形技术的优势日益显现，这项创新正在加速从实验室走向市场。在这个过程中，我们看到了设备制造商、研究机构和终端用户的积极布局。
EOS是深度合作的主流厂商。
今年早些时候，这家德国金属3D打印巨头与nLight达成了战略合作协议，计划将AFX系列可编程光束整形激光器整合到其金属3D打印设备中。
这份合作不仅包括激光器的供应，更涉及一系列互补性的激光技术，旨在增强EOS打印机的光束引擎性能。
更重要的是，这些光束整形和光束引擎优化功能将以数字化方式提供给用户。
用户可以通过EOS的软件平台访问不同的光束轮廓，实现打印工艺的优化。
EOS计划在2024年底向客户推出搭载AFX激光器的3D打印机。
值得注意的是，EOS集团旗下的AMCM公司已经在其最新机型中采用了nLight的激光器技术。
在英国制造技术中心（MTC），研究人员正在使用配备nLight激光器的AMCM M 290-2 FLX系统开展研究。
该系统的一大特点是实现了"全场重叠"，允许两个1200瓦的激光器访问构建平台上的任意点，显著提升了零件布局的灵活性。
在学术研究方面，弗劳恩霍夫还研发了液晶硅空间光调制器（LCoS-SLMs）技术，能够在3D打印过程中有选择地调整激光相位前沿。
这个成果与nLight的方案不同，以后有机会AM易道会详细解读。
其核心突破在于，它突破了此前光束整形技术主要局限于环形和矩形等基本形状的限制。
这个技术平台将允许研究人员探索几乎任何用于LPBF的光束轮廓，并将这些复杂的轮廓与特定的工业应用需求相匹配。
AM易道认为，光束整形技术的产业化正在形成良性循环：设备制造商的商业化推广为技术发展提供了市场验证和资金支持，而研究机构以及上游光学厂家的持续创新也能注入新方案技术。
并且动力并不仅来自于增材制造的产业需求，AM易道认为，数字化的光束整形在几乎所有激光加工领域都有技术价值。
应用前景：底层创新的新路径
在金属3D打印领域，除了效率和工艺稳定性之外，光束整形技术展现出了新应用的潜力。
最引人注目的应用方向是材料微观结构的精确控制。
通过光束整形技术，研究人员有望在零件制造过程中实现材料性能的梯度控制，打造出核心区域、表面区域性能不同的复合性能零件。
光束整形技术还可以与激光表面强化、精修等技术结合，减少支撑以及部分后处理需求，有望降低多工序的制造成本。
另外，值得关注的是，整形后的环光在高反射率材料的加工中解决了传统红光高斯光带来的难加工问题。
nLight的首席技术官Rob Martinsen特别指出，光束整形平台的稳定性使其特别适合加工铝合金和铜合金等材料。
这一特性无疑会进一步扩大光束整形技术的应用空间。
AM易道认为，光束整形技术正在从底层光学突破金属3D打印的应用边界。
光束整形技术发展新动向
技术层面，前文提到的弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）最新开发液晶硅空间光调制器（LCoS-SLMs）技术是一个新方向。
LLNL团队还研究过高斯光和贝塞尔光在增材应用的区分分析。
在商业化层面，nLight正在与多家领先的工业级3D打印设备制造商展开合作，比如Aconity3D:
Aconity3D配备光束整形功能的IPG YLR 3000/1000-AM激光器，他们在单激光系统上实现了超过430 cm³/hr的打印速度，这几乎是行业普遍效率的数倍之多。
AM易道认为，光束整形技术的发展正在进入一个新的阶段。随着EOS等主流设备制造商开始将这项技术整合进其产品线，我们可以预期看到更多创新应用的出现。
整形之后的光束下的工艺参数摸索，尤其是针对不同类型打印件的灵活工艺调整，也将成为各家新的秘密武器。
AM易道将在未来分享更多关于光束整形的技术细节分享，本文仅为简述。也请读者留言感兴趣的问题和话题方向，便于未来对应展开。
如果读者对光束整形更多见解或者应用设想，欢迎在评论区或者在25年的TCT在展会现场与我们交流讨论。
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