
德国研究机构弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 将在 Formnext 2024 上展示其新型 3D 打印波束成形技术。
弗劳恩霍夫团队与亚琛工业大学光学系统技术系(TOS)(新平台)合作,正在开发一种用于研究复杂激光束轮廓的测试系统。
该平台可以为激光粉末床合金 (LPBF) 3D 打印创建定制光束轮廓,提高零件质量、工艺一致性和生产率,同时最大限度地减少材料浪费。
新的弗劳恩霍夫 ILT 系统使用硅基液晶空间光调制器 (LCoS-SLM) 在 3D 打印过程中选择性地弯曲激光束的相位前沿。据报道,它能够产生比先前研究中获得的基本环形和矩形形状更复杂的轮廓。这将使研究人员能够检查 LPBF 中使用的几乎任何光束轮廓。然后可以将复杂的轮廓与特定的工业 3D 打印应用相匹配,以实现最佳结果并满足生产需求。
“我们可以有针对性地优化 LPBF 工艺,”Fraunhofer ILT 激光粉末焊接博士生 Marvin Kippels 解释道。他指出,新平台将减少材料蒸发、减少飞溅、改善熔池动态、平滑熔体路径表面并提高工艺效率。
目前正在建设中的新型 LPBF 波束形成系统将于本月晚些时候在 Formnext 2024 展会上首次亮相,该系统位于 11.0 号展厅 D31 展位。

什么是激光束整形?
许多 LPBF 3D 打印工艺使用 300 至 400 W 的激光。这些激光器的标准高斯分布给质量、效率和可靠性是关键因素的工业应用带来了挑战。
L-PBF Fraunhofer IAPT负责人Philipp Kolves此前向3D打印行业表示,高斯激光器的高功率集中导致能量分布不均匀,中间能量过多。这可能会导致局部过热、不必要的材料蒸发和工艺不稳定,从而导致飞溅和孔隙,从而降低零件质量。这些问题限制了可用于大多数材料的最大激光功率,从而限制了 LPBF 3D 打印的可扩展性。
Kippel 表示,解决这个问题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,”他说。此外,这些系统不能总是统一使用,限制了它们在工业应用中的可扩展性。
为了克服这些问题,Fraunhofer IAPT正在研究激光光束整形,以提高单激光器的性能,这也可以用于多光束3D打印机。在此过程中,在金属粉末烧结之前,高斯激光轮廓被塑造成不同的形状。这些形状有助于均匀分配能量,从而在熔池中产生更多能量。 Kolves声称,这种均匀性可以将金属3D打印生产率提高高达2.5倍,并将工艺稳定性提高40%。
先前的研究表明,简单的光束形状(例如环形、矩形或两者的组合)可以提高零件质量和加工速度。然而,由于当前技术的限制,形状更复杂的梁的创建在很大程度上仍未得到探索。
据称,新的弗劳恩霍夫 IAPT 平台克服了这些限制,代表着朝着更复杂的形状迈出了新的一步,可以根据生产需求进行定制。
科尔维斯在去年的一次采访中宣布了这种能力的潜在价值。 “激光束轮廓与特定应用的匹配度越高,能耗就越高,因此工艺的稳定性就越好,”他强调说。同样,Kippels 解释道:“没有一种理想的光束形状;只有一种形状才是理想的。”每个应用程序都有自己的要求。”


Fraunhofer 的新型 LPBF 波束形成平台
该团队的新平台使用 LCoS-SLM 解锁几乎所有用于 LPBF 3D 打印的激光束轮廓。该测试系统的最大激光功率为 2 kW,还可以评估高功率水平下的光束形状,从而为特定应用选择理想的轮廓。


弗劳恩霍夫研究人员表示,之前对波束形成的研究并不是基于对该过程的基本机制的深入理解。这有时会导致“关于该主题的相互冲突的文献”的产生。
因此,在研究人员能够有效确定激光特性(例如熔体轨迹几何形状)之前,需要对这些过程有更基本的了解。为了实现这一目标,光束形状需要在被制造商采用之前针对特定应用进行优化。据报道,新的弗劳恩霍夫 IAPT 平台允许客户和项目合作伙伴利用其灵活性来探索激光束形状,以优化 LPBF 3D 打印。
“我们仍处于起步阶段,但我们已经看到波束赋形可以为 LPBF 流程带来的巨大潜力,”Kippels 补充道。 “通过我们灵活的波束成形,我们可以找到每个流程的理想分布以及手头任务的最佳流程参数。”


用于激光束整形的先进 3D 打印
鉴于其对工业金属 3D 打印的显着优势,LPBF 研究和 3D 打印领域的多家参与者正在开发波束成形功能并将其商业化。专门从事半导体和光纤激光器的 nLight 就是这样的公司之一。今年早些时候,该公司同意向慕尼黑 3D 打印机制造商 EOS 供应 AFX 可编程波束形成激光器。
此次联合战略合作使激光可用于 EOS 金属 3D 打印机,并引入其他补充激光技术来改进其工业应用的光引擎。 nLight AFX 激光技术此前曾用于 EOS 集团公司 AMCM 的金属 3D 打印机。
在其他地方,Equispheres 和 Aconity3D 使用激光束成形 3D 打印来实现比行业标准快近九倍的装配速度。 Equispheres 的 NExP-1 铝粉与 Aconity3D 的 AconityMIDI+ LPBF 3D 打印机配合使用,可实现超过 430 厘米的速度。3一台激光器 / 小时。
该系统经过修改,使用具有波束形成功能的 PG YLR 3000/1000-AM 激光器。通过在放大的高斯轮廓上使用成形光束,该团队减少了高速 3D 打印过程中的过热和飞溅。
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该图显示了 Fraunhofer ILT 的新型激光束整形平台。照片来自 Fraunhofer ILT。
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