下一代設備！為LPBF成為批量生產的3D打印技術鋪平道路（高達 7.8 倍效率提升），洞悉光束整形的應用技術邏
通過將可編程光纖激光器與偏轉單元的變焦光學相結合，光斑直徑可以在此過程中無限調整，從而以高度動態的方式加倍，憑借其高動態偏轉鏡，偏轉單元還可以非常快速地驅動尖角，監控質量，在工藝領域的每個點都確保了恒定的光斑尺寸和功率密度，從而數倍提高3D打印質量和產量，解決3D打印進入諸如汽車等應用領域產業化所面對的多個挑戰，這預示著下一代增材制造時代的到來。
典型的增材制造岐管部件，由鋁制成，重量為 558 克。由于體積大，它適用于 AFX 激光器，打印速度平均可提高 5 倍 (a)。結果，總成本降低了 60% (b)。
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生產成本減少一個數量級的目標
3D打印-增材制造涉及多種技術，所使用的材料與所生產的產品一樣多樣化。激光因其出色的轉向性和高功率而成為一種增材制造工具，為實現大批量制造所需的生產力提供了可能性。
多種金屬增材制造技術
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自 1996 年被亞琛的Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫激光研究所發明以來，激光粉末床熔融3D打印(L-PBF) 已經成熟，成為金屬增材制造的領先工藝。最初，L-PBF 僅用于原型設計和開發目的。今天，現成的工業 L-PBF 設備可以進行產業化生產，甚至可以加工銅等具有挑戰性的材料，應用幾乎遍及每一個商業領域，包括醫療、航空航天、汽車和機械。
當前不同類型的金屬增材制造技術的加工效率對比
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雖然增材制造的設計自由度對工業制造來說很有吸引力，但目前通過 L-PBF 生產零件的成本和時間仍然被認為太高。通常認為需要在生產成本上減少一個數量級，才會對于在傳統流程鏈上得到廣泛采用至關重要。
根據亞琛Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫激光研究所領導的futureAM面向未來的下一代增材制造項目，當前的增材制造技術已經走過了4個階段：包括從公眾還不清楚3D打印技術能帶來什么的第一階段，到3D打印技術被應用于工業制造的第二階段，再到3D打印在某些應用領域發揮越來越重要作用的第三階段，以及到了第四階段3D打印技術在某些應用層面上因技術本身的發展潛力出現天花板，難以在目前的技術基礎上再深度探索新的市場潛力的狀態。
增材制造技術飛躍打開新的應用空間
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激光源在這條路徑上起著關鍵作用，根據3D科學谷的了解，通常，它的輸出功率可以用高頻進行時間調整，而其空間強度分布是固定的。為了提高生產率，必須即時調整光束輪廓以匹配所需的結構尺寸。
為了創建非常精細的結構（例如晶格或薄壁），L-PBF激光粉末床熔融3D打印設備使用具有高斯強度分布的衍射限制單模激光器。在生產大塊截面時，這種光束形狀會產生嚴格的速度限制。
圖: AFX 激光器采用全光纖光束整形，可以快速切換輸出光束的大小和形狀。光束輪廓可以在真正的單模和環形之間進行調整，獲得介于兩者之間的各種形狀。當與工件相互作用時，環形和鞍形光束產生的煙灰和飛濺顯著減少。
由于光束直徑小，光束必須經過較窄的陰影才能到達密集的部分，從而導致區域掃描速度較低。
線掃描速度與激光功率密切相關，激光功率通常限制在幾百瓦，因為高斯峰值強度會導致鎖孔。這會產生過多的飛濺和煙灰，從而導致構建過程不穩定。
散焦和放大光束都不能解決這些問題，因為保留了高斯光束輪廓。理想情況下，光束輪廓的形狀和直徑是可調整的，而不會增加精致的自由空間光學設置的復雜性。
初步分析表明，環形和鞍形光束（即中心具有一定強度的環形光束）最適合在熔融粉末內產生均勻的橫向溫度分布。因此，理想的 L-PBF 激光源將提供單模光束以產生精細特征，并提供一系列具有環形和鞍形的較大光束以產生更大的特征。
全光纖光束整形
能夠滿足上述所有要求的獨特光束整形技術是 nLIGHT 的 Corona 光纖激光器系列的基礎，其中包括稱為 AFX 的 L-PBF 優化版本，最大輸出功率為 1.2 kW。
AFX 饋電光纖有一個單模纖芯（14 µm 模場直徑），周圍環繞著一個環形纖芯（40 µm 直徑）；輸出光束在單模和環形纖芯之間的分配可以快速且可重復地改變，這使得光束輪廓可以在真正的單模（高斯）和 40 µm 環之間進行調整，其間具有各種形狀。相應的光束直徑（二階矩，D4σ）范圍為 15 到 45 µm，導致光束區域的動態范圍約為 10 倍。所有 AFX 光束形狀都可以通過激光通信接口進行電子控制，就像激光功率或調制速率一樣容易，切換時間小于 25 毫秒。
圖 :AFX 指數設置，其中頂部圖像顯示了中央單模核心和環形核心之間指定的功率分配的近場空間分布。
根據3D科學谷《數倍提高3D打印質量和產量，洞悉光斑直徑無級可調所重新定義的增材制造時代！》一文，通過光束整形，熔化軌道的幾何形狀發生了變化，溫度調節也發生了變化。在最初的顯微鏡檢查結果中，顯示了不同的晶粒尺寸和不同的晶粒紋理。晶粒尺寸和織構對于所3D打印的零部件的行為至關重要——例如影響到了零件的極限抗拉強度或極限應變。
通過選擇特定的工藝參數和光束輪廓來戰略性地控制晶粒生長，可以微調由此產生的組件屬性——例如，可以使組件的特定部分特別堅硬或柔韌，而無需任何額外的后處理，使用復雜的曝光策略也可以在單個組件內改變屬性，這是基于光纖激光器和偏轉單元的激光束形成所提供的巨大好處。
這克服了此前基于粉末床的選區激光熔化金屬3D打印工藝（LPBF）應用的關鍵工藝限制：例如熔池中缺乏均勻性和生產速度降低，使用單模激光器的傳統 AM 工藝，可能會出現一系列缺陷，例如由于過熱而形成小孔、熔道深度不足、凝固熔體周圍的粉末剝落區。這些問題通過nLIGHT 可編程 AFX-1000 光纖激光器和 RAYLASE 帶變焦軸的 AM MODULE NEXT GEN 偏轉單元的產品組合中將獲得有效解決。
使用 AFX-1000 光纖激光器，由單模中心和環形光束組成的光束源的強度分布可以瞬間從典型的高斯輪廓切換到六種不同的環形輪廓，兩個重疊激光束的不同功率輸出產生極具吸引力的均勻能量輸入，同時避免飛濺和熱裂紋。
加速壽命測試表明，超過 2000 萬光束變化時性能沒有變化。在到達標準 QBH 兼容輸出連接器之前，光束永遠不會離開光纖列，從而消除了任何污染或錯位。AFX 為所有光束（“索引”）設置提供出色的光束質量，M2 值介于 ~1 和 5 之間，從而產生大的焦深。例如，放大 5 倍（L-PBF 工具的典型值）時，單模設置（索引 0）的瑞利范圍（瑞利長度） (ZR) 為 3.4 毫米，最大環形光束（索引 6）增加到 8.1 毫米。此外，AFX 光束在光束腰的每一側都保持了相當長的距離 (~1/2 ZR) 的形狀。因此，AFX 為所有索引設置提供了一個大的處理窗口。
提高 L-PBF 速度和穩定性
德國弗勞恩霍夫 IAPT及幾家設備廠商已經證明并量化了 AFX全光纖光束整形在 L-PBF 提高生產力和零件質量方面的優勢。具體來說，AFX 顯著提高了 L-PBF 構建速率（高達 7.8 倍），同時保持了出色的材料質量。這種無與倫比的優勢組合源于 AFX 能夠精確控制熱沉積到工件中的能力。
與標準單模光束相比，AFX 優化的光束輪廓顯著降低了熔池不穩定性，減少了對材料質量和產量產生負面影響的煙灰和飛濺物的產生。反過來，這種優勢使激光功率、掃描速度和 L-PBF 構建速率能夠顯著提高。
3D科學谷了解到最近的結果包括：
Aconity3D 表明，AFX 可以將鈦合金的構建速率提高 7.8 倍，從標準單模光纖激光器的 5.4 cm3/hr 到 AFX 的 42.1 cm3/hr。這一增加源于熔化體積增加了 4 倍，掃描速率增加了近 2 倍，同時保持了出色的材料質量（>99.8% 密度）。
慕尼黑工業大學 (TUM) 的研究表明，AFX 可以同時提高不銹鋼 316L 的 L-PBF 的構建速率（約 2 倍）和工藝窗口。AFX 能夠使用更高的激光功率和更快的掃描速度以及更大的工藝窗口（即在一定功率范圍內具有良好的零件質量）。
具體來說，試圖增加單模高斯光束的功率會導致不希望的成球或鍵孔效應，這限制了 L-PBF 的生產率。相比之下，指數設置為 4 – 6 的 AFX 功率可以在沒有此類工藝不穩定性的情況下增加，從而實現更高的構建速率。
Fraunhofer IAPT 的粉末床金屬小組顯示，鋁合金 (AlSi10Mg) 的構建速率提高了 3 倍，具有出色的材料質量（>99.9% 密度），同時提供了寬大的工藝窗口。通過進一步優化，預計生產率會進一步提高。
圖: 熔池中的溫度分布和重新凝固材料的形狀很大程度上取決于激光強度分布。高斯光束和平頂光束都導致中心內過熱，導致軌道橫截面欠佳。相比之下，環形輪廓會產生平坦的溫度分布，從而產生寬而平坦的軌道橫截面 (a)。AFX 環形光束結合了高掃描速度和較大的艙口間距，與高斯光束相比具有更高的生產率。工藝窗口明顯更大，且不降低零件密度。
Fraunhofer ILT 德國亞琛弗勞恩霍夫激光研究所激光粉末床熔融研究小組證明 AFX 提高了鎳基合金 625.4 的構建速度、工藝窗口和材料質量。
使用 AFX 提高的構建速度直接導致打印部件的總體成本大幅降低，對于典型的鋁制增材制造部件，成本降低了 60%。
材料特性的局部控制
除了生產力和成本優勢之外，AFX 還通過控制局部微觀結構和材料特性為 L-PBF 制造開辟了一個新維度。
根據3D科學谷《航空航天制造業常見的3D打印合金特性、加工特點及加工挑戰》一文，增材制造可以創建定制的雙金屬和多金屬金屬。可以在設計中離散地添加材料以優化熱或結構特性。可以制造結構護套、法蘭、凸臺或其他特征的產品，以優化整個子系統的重量。這些可以包括離散金屬過渡或功能梯度材料 (FGM)。
無疑，AFX讓合金的制造更加自由！
金屬增材制造材料
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AFX 獨特的模式配置文件可控制熔池內的熱梯度和凝固動力學，已發現這決定了材料的微觀結構，提供了全新的設計可能性。由于 AFX 光束形狀可以即時更改，因此可以局部設計微結構，從而在整個零件中賦予新的功能和優化的特性：
Aconity3D 對 Inconel 718 的 L-PBF 的 AFX 環形模式輪廓與具有相似有效直徑的散焦高斯（單模）光束進行了比較。發現 AFX 環形光束可以提高屈服強度和屈服伸長率。這些關鍵材料屬性通常是反相關的，需要進行權衡，但 AFX 已將它們解耦。這種能力提供了新組件功能和性能的潛力，特別是單個零件內的可變材料特性。
慕尼黑工業大學 (TUM) 研究發現，AFX 可以控制不銹鋼 316L 的微觀結構和材料性能。不同的 AFX 光束形狀可以優化熔體軌跡的幾何形狀和溫度分布，從而控制晶粒生長方向和織構，進而決定材料特性。通過對晶粒生長的這種戰略控制，可以微調由此產生的組件特性。例如，可以使組件的某些部分特別堅硬或柔韌，而無需任何額外的后處理。使用復雜的暴光策略，也可以在單個組件內改變屬性。
增材制造技術用于合金設計與優化
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突破L-PBF 的當前極限
AFX 光纖激光器可顯著提高多種金屬和合金的 L-PBF 生產率，從根本上改變 L-PBF 制造零件的經濟性。關鍵促成因素是針對 L-PBF 優化的光束形狀，包括真正的單模（14 毫米高斯）、緊湊型環（40 毫米直徑）以及介于兩者之間的多種形狀，所有這些都具有出色的光束質量。光束輪廓可直接從饋電光纖快速調諧，無需自由空間光學器件或其他降低性能、影響穩定性（可靠性）的組件。AFX 光纖激光器的功率高達 1.2 kW，并且該技術可擴展到更高的功率和其他光束形狀。
雖然此處展示的結果是在 AFX 單激光器設置中實現的，但其優勢也適用于多激光器配置（例如，雙激光、四激光、八激光等）。這種方法可以將最新的多激光 L-PBF 機器的生產率提高到更高的記錄。
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AFX 正在實現新一代的高生產率 L-PBF選區激光熔化金屬3D打印工藝，為 L-PBF 成為批量生產的金屬增材制造技術鋪平了道路。此外，AFX 控制局部微觀結構和材料特性的獨特能力提供了制造具有以前制造技術無法達到的材料特性、功能和性能的零件的潛力。
(責任編輯：admin)
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