一些研究已经明确证明，光束整形可以提高激光粉末床熔融（LPBF）增材制造工艺的效率和生产率。

最近，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）和德国亚琛工业大学正在共同努力，为优化LPBF增材制造工艺创建一种先进的测试系统，让他们能够灵活地研究功率高达2kW的复杂激光束分布，这一创新可用于为工业合作伙伴定制解决方案。该平台旨在将LPBF工艺更高效、更稳健地集成到工业生产中，以满足不断增长的应用需求。

高斯光束的缺点

目前，在许多LPBF工艺中通常使用大约300~400W的激光功率。当前使用的标准高斯光束显示出了明显的缺点：功率高度集中在光束中心，这会导致局部过热和不希望的材料蒸发以及工艺不稳定，这些都会因飞溅和孔隙而损害组件的加工质量。这些问题极大地限制了LPBF工艺的可扩展性，这意味着LPBF系统中可用的激光功率（通常高达1kW）无法适用于大多数材料。

Fraunhofer ILT激光粉末床熔融部的博士生Marvin Kippels说：“可以并行使用多台激光器和光学系统来加快LPBF的工艺过程，但是整个系统的总体成本也会相应地成比例增高。”另外，在实际应用中这些系统并不总是能够均匀使用，这意味着生产率的提高不能与功率的增加成比例。因此，一种有前景的方法是提高单束工艺的生产率，并且这种方法也可以转移到多光束系统。

光束整形带来新的可能性

先前的研究表明，即使是矩形、环形或两种高斯分布组合的简单光束形状，都能对加工质量和加工速度产生积极结果。但是由于缺乏必要的系统技术，到目前为止，更复杂的光束形状的潜力在很大程度上尚未得到探索。现在Fraunhofer ILT的研究人员已经开始展开全面研究，情况正在发生改变。

Kippels解释说：“由于LPBF工艺的动力学特性，在加工过程中，激光束和材料之间的相互作用非常复杂，模拟仿真只能提供实际熔池行为的指示。”Kippels目前正在建立一种使用LCoS-SLM（硅基液晶-空间光调制器）的新型系统，这将使研究人员能够研究LPBF工艺过程中的几乎任何光束轮廓。

该创新系统的激光功率高达2kW，是在LPBF工艺中以高功率水平测试新光束形状的平台，这使得可以为单一LPBF任务确定合适的系统技术。Kippels解释说：“我们可以有针对性地优化LPBF工艺。”他特别提到了减少材料蒸发、减少飞溅形成、减少熔池动态、平滑熔道表面以及通过调整熔道几何形状来提高工艺效率。

灵活的光束轮廓满足特定要求

目前，系统技术通常能够生产特定的光束形状，如环形或顶帽形。然而，这些光束形状的选择并不是基于对潜在过程机制的深入理解。只有从根本上理解工艺过程，才能在研究中具体确定哪些调整可以实现既定目标，例如某个熔化轨迹形状。

这意味着必须为应用开发和优化光束形状，理想情况下可以在公司实施，而不需要LCoS-SLM技术。得益于Fraunhofer ILT这个创新的研究平台，其工业客户和项目合作伙伴，已经可以从研究激光束工具的前所未有的灵活性中受益。

Marvin Kippels介绍说：“我们仍然处于起步阶段，但我们已经看到了光束整形可以为LPBF工艺提供的巨大潜力。没有一种完美的光束形状；每种应用都有自己的要求。由于灵活的光束整形，我们可以为每个过程找到理想的光束分布，为所讨论的任务找到最佳的工艺参数。”

图1：Marvin Kippels是Fraunhofer ILT激光粉末床熔融部的博士生，目前正在构建一个灵活的LPBF系统，该系统使用空间光调制器（SLM）生成定制的光束轮廓。（图片来源：Fraunhofer ILT）

图2：在目前正在构建的系统中（上图），LCoS-SLM可以通过选择性地弯曲激光束的相位前沿，在LPBF过程中生成几乎任何光束轮廓（下图）。（图片来源：Fraunhofer ILT）