基于高斯光束的激光器在市場上較為常見，技術(shù)成熟度高，成本相對較低，這使得高斯光束加工在金屬材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。高斯光束具有良好的聚焦性能，可以實(shí)現(xiàn)高密度的能量集中，這對于金屬材料的焊接、切割和增材制造等工藝尤為重要。基于高斯光束的L-PBF 3D打印工藝也相對成熟，設(shè)備穩(wěn)定，操作簡便。

但研究已經(jīng)指出，高斯光束 的 中心能量較高，而邊緣能量較低 ，導(dǎo)致激光與金屬粉末相遇處產(chǎn)生較大的溫度梯度和復(fù)雜的熔池不穩(wěn)定性。這種不均勻的能量分布易導(dǎo)致低熔點(diǎn)合金元素汽化，造成“熔池行為不穩(wěn)定”，損害工藝的穩(wěn)定性。這造成了諸多問題，如熔化不徹底、匙孔效應(yīng)、飛濺效應(yīng)、工藝效率較低等，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙率增加、加工參數(shù)敏感以及影響微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等。

高斯光束、平頂光束、貝塞爾光束和環(huán)形光束能量分布

為了克服高斯光束在L-PBF 3D打印中的缺點(diǎn)，研究人員正在探索光束整形技術(shù)。例如，引入平頂輪廓或環(huán)形輪廓的光束可以實(shí)現(xiàn)更一致的溫度分布，增強(qiáng)工藝穩(wěn)定性并顯著提高生產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)證明，光束整形可以減少熔池湍流和飛濺，提高零件的致密性和拉伸性能。此外，光束整形還可以提高打印效率并降低制造成本。

在激光粉末床熔融3D打印中，光束整形的光斑類型多種多樣，這些光斑類型通過不同的光學(xué)元件和整形方法實(shí)現(xiàn)，以優(yōu)化打印過程中的熱分布、提高打印質(zhì)量和效率。

橢圓形光束

橢圓形光束通過圓形高斯光束整形獲得，可細(xì)分為縱向橢圓形和橫向橢圓形兩種光束，這意味著其光強(qiáng)分布在兩個(gè)方向上是不均勻的。因此在不同方向上的加熱效果、打印效率也不同，同時(shí)還會(huì)影響相鄰兩層之間的連接強(qiáng)度。

高斯光束和橢圓光束形狀的測量空間強(qiáng)度分布的數(shù)值擬合

與高斯光束相比，橢圓光束（特別是橫向橢圓光束）具有較低的能量梯度，這有助于穩(wěn)定熔池并減少飛濺現(xiàn)象，同時(shí)有助于促進(jìn)等軸晶以及細(xì)小晶粒的形成。但是，由橢圓光束誘導(dǎo)的熔道高度與粉末層厚度相同，這可能影響新粉末層與先前沉積材料之間的連接強(qiáng)度。

平頂光束

與高斯光束相比，平頂光束在工作表面上的激光能量分布更為均勻，這顯著降低了熔池內(nèi)部的熱梯度。熔池更傾向于以熱傳導(dǎo)模式被加熱。在熱傳導(dǎo)模式下，晶粒傾向于外延生長，因此更容易制備出較大的晶粒。平頂光束較大的光斑極大地提高了激光打印的效率，且均勻的激光能量有利于節(jié)省能源。由于平頂光束的能量分布均勻，即使在較寬的激光功率范圍內(nèi)，也能獲得更高密度的部件。平頂光束產(chǎn)生的熔體流動(dòng)比高斯光束更為平緩，能夠有效地抑制蒸氣羽流的形成，從而顯著提升工件的表面質(zhì)量。此外，平頂光束所提供的完全均勻的激光能量分布還能延長熔池的保持時(shí)間，這對于促進(jìn)內(nèi)部氣體的排出、優(yōu)化打印過程具有積極意義。

高斯激光到平頂激光的能量強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變（來自華中科技大學(xué)）

平頂光束雖然在形成更理想的熔池和提高加工效率方面表現(xiàn)優(yōu)異，但它并非沒有挑戰(zhàn)。首先，其在傳播過程中難以保持穩(wěn)定的形狀。其次，平頂光束的均勻強(qiáng)度分布特性主要局限于光學(xué)系統(tǒng)的成像位置或焦點(diǎn)附近。

貝塞爾光束

在激光粉末床熔融技術(shù)中，采用更大的粉末層厚度旨在顯著提升制造效率。然而，盡管提高激光能量密度可增大高斯光束的熔深，但同時(shí)也引入了高能量梯度導(dǎo)致的打印缺陷問題。為克服這一挑戰(zhàn)，研究者們開始探索貝塞爾光束，其獨(dú)特的點(diǎn)環(huán)光強(qiáng)分布特性為實(shí)現(xiàn)大熔深、高熔池穩(wěn)定性和低溫度梯度提供了新途徑。

貝塞爾光束具有中心核的傳播不變性，即非衍射特性，以及更大的焦深和自修復(fù)能力。自修復(fù)特性意味著在傳播路徑中遇到障礙物后，貝塞爾光束能夠自我重建，從而減少LPBF過程中飛濺物對打印質(zhì)量的負(fù)面影響。進(jìn)一步的研究表明，貝塞爾光束的中心光斑促進(jìn)了更深的熔深形成，而環(huán)形激光則有效抑制了飛濺和氣孔的產(chǎn)生。與高斯光束相比，貝塞爾光束在打印過程中展現(xiàn)出更穩(wěn)定的熔池蒸氣角度，從而減少了飛濺、熔合缺陷和氣孔，提升了部件的密度和表面質(zhì)量。

在強(qiáng)度和延展性方面，貝塞爾光束和高斯光束制備的部件表現(xiàn)相當(dāng)，但隨入射能量密度的變化趨勢存在差異。貝塞爾光束在更寬的參數(shù)范圍內(nèi)能夠生成更致密的部件，并在其熔池中更容易形成等軸晶粒，這有助于提升部件的整體性能。

總的來說，貝塞爾光束憑借其獨(dú)特的光學(xué)特性和在LPBF技術(shù)中的優(yōu)異表現(xiàn)，為提升打印效率、穩(wěn)定性和部件質(zhì)量提供了新的解決方案。

環(huán)形光束

環(huán)形光束能量分布在中心較低，邊緣較高，呈現(xiàn)出環(huán)形輪廓，也被稱為逆高斯光束。與高斯光束相比，環(huán)形光束中心較低的激光強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生較淺的熔池，這意味著先前沉積材料的熔化速率會(huì)降低，甚至可能幾乎不熔化。因此，金屬層之間的連接強(qiáng)度會(huì)大大減弱。

高斯光束與環(huán)形光束對比

與其他只有一次加熱和冷卻過程的激光光束不同，逆高斯光束的環(huán)形輪廓使熔池經(jīng)歷了兩次加熱和冷卻過程，熔池內(nèi)部的溫度低于周圍環(huán)形輪廓的溫度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用環(huán)形光束替代高斯光束時(shí)，無粉末固結(jié)區(qū)的寬度顯著減小，這有利于提高3D打印部件的質(zhì)量。此外，在使用環(huán)形光束進(jìn)行打印時(shí)，金屬顆粒會(huì)逃逸到熔池的后方，這與使用高斯光束打印時(shí)金屬顆粒向前飛濺形成濺射物的現(xiàn)象不同。

高斯光束、環(huán)形光束、貝塞爾光束熔化過程組織形貌仿真

環(huán)形光束獨(dú)特的熱溫場和熔池特性對晶粒結(jié)構(gòu)和缺陷的形成具有顯著影響。有研究認(rèn)為這種光束形狀可以在熔池周圍形成一個(gè)“緩沖區(qū)”，允許高壓蒸汽逸出，減少飛濺和孔隙的產(chǎn)生；也有研究發(fā)現(xiàn)環(huán)形光束熔池橫截面頂部的弧形形狀導(dǎo)致零件表面出現(xiàn)波紋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得后續(xù)粉末層厚度不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致粉末中的熱傳遞不均勻，從而產(chǎn)生更多的結(jié)合缺陷和氣孔。環(huán)形光束還對零件的晶粒結(jié)構(gòu)有顯著影響，可獲得相比高斯光束更小的晶粒。

當(dāng)前，光束整形3D打印技術(shù)正在成為新的研究熱點(diǎn)和重要的發(fā)展方向之一。本文內(nèi)容，3D打印技術(shù)參考系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前可用于3D打印的激光光斑類型及打印特點(diǎn)，特別查找展示了各類光斑的形狀及能量分布特點(diǎn)，為本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員整體上了解光束整形技術(shù)提供了概括性的資料。

本文部分參考：Beam shaping technology and its application inmetal laser additive manufacturing: A review

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請點(diǎn)擊轉(zhuǎn)載須知。

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