Формирование луча при 3D-печати металлом

2026-06-02

Два основных подхода к формированию луча

«Прямая замена лазера (с встроенным источником света)» и «традиционный лазер + регулировка луча вне рабочей зоны (с последующей коррекцией)» — это два основных направления, по которым производители оборудования для 3D-печати в настоящее время развивают технологии 3D-печати металлами с коррекцией луча; у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Схема управления лучами на внешнем поле

Основная идея данного подхода заключается в том, чтобы продолжать использовать одномодовые волоконные лазеры, отличающиеся стабильной работой и проверенной мощностью (с выходным гауссовым пучком), а затем вводить в их выходной световой путь определенные оптические элементы (такие как дифракционные и рефракционные оптические элементы, массивы микролинз, пространственные модуляторы света) для изменения энергетического распределения пучка.

Данный маршрут относится к статической формировке луча, что означает, что структура формирования луча остается неизменной в процессе работы.

Принципы технологического процесса реконструкции задней части

В зависимости от используемых оптических элементов форма светового пятна будет различной. В качестве примера формирования кольцевого светового пятна можно рассмотреть следующую конфигурацию оптической системы:Одномодовый волоконный лазер → коллиматор→ (переключатель луча/контроль) → Формирователь луча (DOE и т. д.) → Зеркало сканирования → Полевой объектив F-θ → Рабочая поверхность; в зависимости от размера печатной области набор оптических элементов может изменяться.

Использование осевого призмы для преобразования формы луча из гауссового в кольцевой

Преимуществами данного технического подхода являютсявысокая гибкость, контролируемые затраты и удобство модернизации оборудования; однако существуют и такие недостатки, какоптические потери, увеличение сложности системы, а также более высокие требования к калибровке, стабильности и защите от запыления.

В настоящее время большинство разработчиков выбирают именно этот путь, который также является для них важным способом быстрой реализации данной технологии: при условии надлежащего контроля качества они могут завоевать большую долю рынка благодаря низкой стоимости оборудования.

Техническая концепция встроенного источника света

Данная технологическая схема предполагает интеграцию функции формирования луча непосредственно в лазере, что исключает необходимость в дополнительных последующих оптических компонентах.

Этот метод также называется динамической формировкой луча. Лазер содержит специальный резонатор, который обеспечивает формирование луча внутри кристаллического резонатора, что позволяет создавать более сложные и гибкие формы луча.

Функция формирования луча встроена в сам лазер, что снижает потребность во внешних оптических компонентах и делает всю систему более компактной, оптический путь также более стабильным,что снижаетпогрешности и потери, вносимые внешними оптическими элементами. В то же время это снижает затраты на обслуживание и его сложность. Однако у этого подхода есть и очевидный недостаток — более высокая стоимость.

Следует отметить, что использование встроенного источника света не сводится к простой прямой замене традиционного лазера: необходимо учитывать совместимость системы, а также способность самого лазера формировать луч, и, возможно, для получения оптимальной формы пятна потребуется дополнительная оптика.

Исследователи из Университета Яньшаньеще в 2023 году подготовили обзор технологий формирования луча и их применения в лазерном аддитивном производстве металлов, проанализировав особенности распределения энергии, состояние плавильной ванны и качество деталей при различных формах пятна. Это оказало огромную помощь техническим специалистам в системном осмыслении данной технологии.

Кроме того, Институт технологий аддитивного производства (IAPT) и Институт лазерных технологий (ILT) при Институте Фраунгофера, а также Технический университет Ахена и Университет Ватерлоо провели обширные исследования в области 3D-печати металлов с формированием луча.

3D-печатный коллектор из алюминиевого сплава, имеющий значительные размеры, был изготовлен с помощью лазера AFX, что позволило увеличить скорость печати в 5 раз и снизить затраты на 60 %.

В КитаеУниверситет Гуанситакже проводил исследования в области этой технологии; команда профессора Лун Юй из этого университета впервые разработала новые методы формирования и комбинирования световых пучков, а также взаимодействия нескольких лазеров, за что была удостоена первой премии в номинации «Научно-технические изобретения» премии Гуанси в области науки и техники.

Все эти исследования сходятся во мнении, что технология формирования луча приносит множество преимуществ для 3D-печати металлами:

● Более высокая скорость печати——Увеличение шага сканирования и толщины слоя позволяет сократить время печати.

● Детали более высокого качества— адаптивная коррекция луча позволяет повысить стабильность плавильной ванны и улучшить металлургические свойства.

● Снижение производственных затрат——Повышение производительности может сравниться с традиционными методами производства, такими как ковка и обработка с ЧПУ.