江蘇雷射聯盟導讀：SLM是增材製造技術中最有前途的技術之一。SLM技術可以從3D原型採用粉末直接製造出3D形狀的金屬和合金。如今SLM技術的生產效率還比較低，從而限制了該技術更為廣泛的應用以及將該技術作為一種新技術來解決先進設計遇到的難題採用SLM技術進行解決的可能性。提高SLM生產效率的解決方案可以讓金屬3D列印在很短的時間內列印出複雜的3D形狀來。
本文提出的解決方案是安裝了光束整形系統和在線監測系統來提高生產效率。光束整形系統是通過整形來改變光束能量的空間分布。選用CoCrW粉末作為研究對象。該粉末的熔化性能非常好。使用前對CoCrW粉末進行了預處理，粉末粒度不超過20微米。實驗時，每種光束光斑模式下採用兩套工藝參數進行實驗。對得到的樣品採用常規的檢測分析材料缺陷的辦法進行觀察分析。
圖1 採用光束整形改變雷射能咯昂分布的效果總圖
採用掃描電鏡（SEM）對樣品的成分進行分析。每種光束光斑模式下均會形成同凝固相關的缺陷。環形光束模式下進行SLM製造3D樣品時所採用的參數範圍明顯要比高斯光斑模式下的參數範圍要寬泛的多。對於常規的高斯分布SLM設備，其典型的加工參數為：雷射功率功率不超過100W、掃描速度不超過30mm/s。在本實驗中採用平頂光和環形光之後，雷射功率可以達到1kW，掃描速度可以達到300mm/s。顯微結構分析結果表明同採用高斯雷射光束時相比幾乎無差別。在線監控表明光束整形系統可以降低SLM可視性的負面作用。
SLM技術可以說是最有發展前途的金屬增材製造技術之一。SLM技術可以製造3D部件或複雜形狀的功能部件。該技術已經逐漸在汽車、航空航天、核工業和個性化假體和植入物中的設計和個性化生產中得到應用。該技術的基本原理是基於3D數字模型逐層熔化堆積而實現3D實體的製造。該技術應用的一個最大的問題就是產能低下，效率低。如何提高設計精度和改進技術來顯著提高製造速度是該技術應用的一大難點。目前尚沒有解決的提供產能和生產效率的現狀限制了該技術的應用和更大範圍的應用。產能（生產效率）是用來表達製造效率的測量結果的。同時間相關，但不能直接用時間來直接表述，如形狀的複雜程度和最終產品質量相關的生產效率。SLM技術中的產能一般指依據要求製造的產品在單位時間內所能生產出來的體積量。
圖2 SLM工作時的狀態以及由於能量過高造成穩固梯度過大的狀態
直接增加雷射功率和掃描速度來提高SLM的產能往往會帶來相反地效果，如熔池過熱而形成飛濺或不期望生成的缺陷。圖2b即為溫度過高造成的雷射能量損失、金屬元素的蒸發以及由於熔池過熱而造成產能反而下降。可能的一個解決方案就是對雷射束和能量密度分布進行優化調製。
圖3 採用高斯分布的雷射能量的設備製造廠家及其高斯分布的雷射能量
圖3 三種不能的雷射能量分布模式圖：（a） 高斯分布（b）平頂粉末 （c） 環形分布
目前已經有部分研究工作是針對SLM 提高產能效率的。從理論上來講，提高SLM產能從能量轉換效率的角度來說，有如下幾個途徑：
提高能量效率、優化雷射波長，這是從光源本身出發；
提高光學元件的轉換和傳輸效率，即損失最小，利用率最高的角度，這是在傳輸部分提出的方案；
提高粉末表面的吸收效率以便吸收更多的雷射能量，減少能量耗散，這是從雷射作用端提出的解決方案。
與此同時，雷射能量的吸收可以通過優化熔池的傳熱和傳質來實現。可以通過對高斯分布的雷射能量轉換成其他形式的分布來提高效率。有研究指出，高斯分布的TEM00的分布模式可以通過光束整形變成反高斯（環形）分布或平頂分布。光束模式的轉換可以在許多現代工業中得到應用，如切割、雕刻、直到現在，光束整形雖然在其它行業中得到了應用，但在SLM中的應用尚處於並未系統的研究階段。理論研究指出，光束整形後生產效率至少提高兩到三倍。而光束整形的實際應用則是當前的工作目標。
圖4 實驗裝置示意圖和實物圖
常見的高斯分布的雷射能量存在的一個最大的問題就是大約有63%的能量會損失掉，僅僅只有37%的能量用於加工。這表明高斯分布的能量應用時浪費較多。很明顯，如果對能量進行重新分配，並提供平頂光或環形光可以提高雷射能量的應用效率和提高SLM工藝的加工效率。
現代工業中常見的SLM設備基本都是採用高斯分布的雷射能量，如圖3所示。分析數據表明高斯分布的雷射能量可以滿足較寬工業應用的需求，如雷射熔覆、焊接、蝕刻、雕刻、切割等。然而，在某些精密的刻蝕工業中，如獲得U形槽、表面淬火、SLM和精密切割等，類似刃口形狀的高斯分布的熔池就不是最理想的狀況。研究發現，高斯分布的雷射能量在以上領域的應用存在較多的問題。
1.熔池中心的粉末會發生過熱，而熔池邊緣卻沒有足夠的能量來實現粉末的熔化；
2.刃口形狀的熔池會導致前層熔道的二次熔化和相互擴散；
3.熔池中心額外的能量會造成熔池中心和邊緣巨大的溫度梯度，這會導致未熔化粉末的存在、中心產生等離子體。元素蒸發氣化等；
4.未熔化粉末從邊緣進入熔池中心，並同液相熔池相互擴散，同周圍的液相進行動力學交互作用。
實驗採用CoCrW粉末，三種光斑模式進行實驗，如圖3所示。圖4為實驗裝置示意圖和實物圖。
圖5 SLM製造中主要的影響參數
編輯
圖6 SLM中的主要控制參數
圖7 三種光束模式下的多層截面圖： （top） 高斯分布（mid）平頂粉末 （bottom） 環形分布
圖8 三種光束模式下進行單道沉積時的截面圖
圖9 三種不同的光斑模式下模擬得到的雷射能量的分布
參考文獻：
https://doi.org/10.1051/meca/2015082，Mechanics & Industry 16, 709 (2015)
Laser beam profiling: experimental study of its influence on single-track formation by selective laser melting
文獻來源：
https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.05.033,On productivity of laser additive manufacturing,Journal of Materials Processing Technology, Volume 261, November 2018, Pages 213-232