圖1 .激光增材制造應(yīng)用

激光加工增材制造，尤其是激光粉末床熔融(LPBF)，是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，它使用激光束作為能量源，將金屬粉末等材料精確熔化并逐層堆積，以構(gòu)建三維物體。這項(xiàng)技術(shù)具有高精度、高靈活性和能夠制造復(fù)雜幾何形狀的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、醫(yī)療、汽車等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

在傳統(tǒng)的LPBF工藝中，高斯分布的激光束雖然廣泛使用，但其存在明顯的缺點(diǎn)。1)由于光束中心的功率過高，在熔池內(nèi)會(huì)有較大的溫度梯度，容易導(dǎo)致局部過熱和材料蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致氣孔、毛刺等缺陷產(chǎn)生，從而導(dǎo)致表面粗糙度提高，加工的產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力大，壽命短。2)能量利用率低，高斯光束的邊緣能量強(qiáng)度較低，這意味著大量的激光能量沒有被有效利用。3)工藝窗口窄，由于熔池不穩(wěn)定性，高斯光束對工藝參數(shù)的敏感度較高，工藝窗口較窄。

圖2.不同光束形狀對金屬(鋁合金)溫度場和熔池截面的影響。

近日，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT)在激光粉末床融合(LPBF)領(lǐng)域的一項(xiàng)新研究——靈活的光束整形平臺(tái)，該平臺(tái)使用了2000W的高功率激光器以及集成了濱松LCoS-SLM(液晶硅基空間光調(diào)制器)技術(shù)，通過改變激光的波前，從而改變光束的強(qiáng)度分布，能夠生成幾乎任何形狀的光束，以適應(yīng)不同的LPBF加工需求。另外該技術(shù)還提到通過空間光調(diào)制器靈活的調(diào)控技術(shù)，可以減少材料蒸發(fā)、減少飛濺形成、減少熔池湍流、平滑熔道表面以及通過調(diào)整熔道幾何形狀來提高工藝效果。

圖3.濱松高功率LCoS-SLM;右圖為通過LCoS-SLM調(diào)制后產(chǎn)生的光束輪廓，(由Fraunhofer ILT, Aachen, Germany 提供)。

圖4.光束經(jīng)過LCoS-SLM反射后的光束強(qiáng)度重新分布的結(jié)果，左邊為初始相位，右邊為目標(biāo)相位，(由Fraunhofer ILT, Aachen, Germany 提供)。

目前基于LCoS-SLM的光束整形技術(shù)還處于研究的初級階段，但已經(jīng)展現(xiàn)出了對LPBF工藝的巨大影響。隨著對LPBF過程機(jī)制的深入理解以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來光束整形技術(shù)有望在工業(yè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，它也將推動(dòng)激光加工增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為制造業(yè)帶來更多的創(chuàng)新和突破。

濱松700W空間光調(diào)制器

2023年11月時(shí)候，濱松隆重推出了業(yè)界首款藍(lán)寶石LCOS-SLM，該款LCOS-SLM專為激光增材制造量身制定開發(fā)，其平均功率閾值高達(dá)到700W以上，實(shí)測平均功率密度超過3127W/cm2。

圖5.左圖為科研款X15213-03CL產(chǎn)品，右圖為板級款X15223-03CL產(chǎn)品。兩者光學(xué)參數(shù)完全一致，區(qū)別在于封裝和電控上。

圖6.濱松X152x3-03CL產(chǎn)品實(shí)測結(jié)果

實(shí)測結(jié)果圖如上，通過一個(gè)隨機(jī)偏振功率可調(diào)的1000W高功率光纖激光器給SLM液晶頭加熱，同時(shí)一個(gè)線偏振的低功率50mW的激光打在SLM液晶頭上，對該低功率激光進(jìn)行調(diào)制，測試LUT值，可見SLM承受平均功率達(dá)到743W，平均功率密度達(dá)到3127W/cm2以上，調(diào)制器的LUT值無明顯變化。

審核編輯 黃宇