据3D科学谷报道，通过将可编程光纤激光器与偏转单元的变焦光学器件相结合，可以在此过程中无限调整光斑直径，从而以高度动态的方式加倍。凭借其高度动态的偏转镜，偏转单元还可以非常快速地驱动尖角，监控质量，并确保过程域中每一点的光斑大小和功率密度恒定，从而将3D打印的质量和产量提高数倍，解决3D打印在汽车等应用领域产业化所面临的诸多挑战，这预示着下一代。
典型的增材制造歧管部件由铝制成，重558克。由于尺寸大，适用于AFX激光器，打印速度平均可以提高5倍。因此，总成本降低了60%。
nLIGHT
生产成本降低了一个数量级。
3D打印——增材制造涉及多种技术，使用的材料和生产的产品一样多样。激光因其优良的转向性和高功率成为增材制造工具，为实现大规模制造所需的生产力提供了可能。
多金属增材制造技术
3D科学谷白皮书
自1996年德国亚琛弗劳恩霍夫ILT·弗兰霍夫激光研究所发明激光粉末床熔化3D打印以来，激光粉末床熔化3D打印技术已经成熟，成为金属增材制造的领先技术。最初，L-PBF仅用于原型设计和开发目的。今天，现成的工业L-PBF设备可以工业化生产，甚至可以处理铜等具有挑战性的材料。它的应用几乎遍布每一个商业领域，包括医疗、航空空航天、汽车、机械。
目前不同类型金属添加制造技术的加工效率比较
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虽然增材制造的设计自由度对工业制造很有吸引力，但通过L-PBF生产零件的成本和时间目前仍被认为过高。通常认为需要将生产成本降低一个数量级，这对其在传统工艺链中的广泛采用至关重要。
据位于亚琛的弗劳恩霍夫ILT Flawn Hof激光研究所领导的futureAM面向未来的下一代增材制造项目介绍，目前的增材制造技术已经经历了四个阶段:从公众不清楚3D打印技术能带来什么的第一阶段，到3D打印技术应用于工业制造的第二阶段，再到3D打印在一些应用领域发挥越来越重要作用的第三阶段。并且在第四阶段，3D打印技术由于技术本身的发展潜力，在一些应用层面存在天花板，难以在现有技术的基础上发掘新的市场潜力。
增材制造技术的飞跃开启了新的应用空
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激光在这条道路上起着关键作用。根据3D科学谷的知识，通常情况下，它的输出功率是可以高频调节的，而它在空之间的强度分布是固定的。为了提高生产率，必须立即调整光束轮廓以匹配所需的结构尺寸。
为了创建非常精细的结构，L-PBF激光粉末床熔化3D打印设备使用具有高斯强度分布的衍射受限单模激光器。在生产大截面时，这种光束形状会产生严格的速度限制。
图:AFX激光器采用全光纤光束整形，可以快速切换输出光束的大小和形状。光束轮廓可以在真正的单模和环形之间调节，并且可以获得介于两者之间的各种形状。当与工件相互作用时，由环形束和鞍形束产生的烟灰和飞溅显著减少。
由于光束直径较小，光束必须穿过狭窄的阴影才能到达密集部分，导致该区域扫描速度较低。
扫描速度与激光功率密切相关，通常限制在几百瓦，因为高斯峰值强度会导致小孔。这样会产生过多的飞溅和烟尘，导致施工过程不稳定。
而散焦放大光束并不能解决这些问题，因为高斯光束轮廓是保留的。理想情况下，可以调整光束轮廓的形状和直径，而不会增加精密的free 空光学装置的复杂性。
初步分析表明，环形梁和鞍形梁最适合于在熔融粉末中产生均匀的横向温度分布。因此，理想的L-PBF激光源将提供单模光束以产生精细特征，并提供一系列具有环形和鞍形的较大光束以产生较大特征。
全光纤光束整形
能够满足上述所有要求的独特光束整形技术是nLIGHT的电晕光纤激光器系列的基础，包括名为AFX的L-PBF优化版，最大输出功率为1.2 kW。
AFX馈送光纤具有被环形纤芯包围的单模纤芯；输出光束在单模和环形纤芯之间的分布可以快速重复地改变，使得光束剖面在真单模和40 m环之间可调，中间有各种形状。相应的光束直径范围为15至45 m，导致光束区域的动态范围约为10倍。所有AFX光束形状都可以通过激光通信接口进行电子控制，就像激光功率或调制率一样简单，切换时间小于25ms。
图:AFX指数设置，其中上图为中心单模纤芯和环形纤芯之间指定功率分布的近场空分布。
根据3D科学谷“提升3D打印质量和产量数倍”可以理解为无级调节光斑直径重新定义的增材制造时代！通过光束整形，熔化轨迹的几何形状发生了变化，温度调节也发生了变化。在最初的显微镜检查结果中，显示了不同的晶粒尺寸和不同的晶粒结构。晶粒大小和纹理对3D打印零件的行为至关重要，例如，它们会影响零件的最终拉伸强度或应变。
通过选择特定的工艺参数和光束轮廓，有策略地控制晶粒生长，可以微调最终的组件属性，例如，组件的特定部分可以在没有任何额外的后处理的情况下变得特别坚硬或柔韧，并且还可以通过使用复杂的曝光策略在单个组件内改变属性，这是基于光纤激光器和偏转单元的激光束形成所提供的巨大优势。
这克服了之前基于粉末床的选择性激光熔化金属的3D打印工艺的关键工艺限制:例如，熔池缺乏均匀性和生产速度的降低。在传统的使用单模激光的AM工艺中，可能会存在一系列的缺陷，如过热形成小孔、流道深度不够、凝固熔体周围出现粉末剥落区域等。通过nLIGHT可编程AFX-1000光纤激光器和RAYLASE AM模块下一代变焦轴偏转单元的产品组合，这些问题将得到有效解决。
使用AFX-1000光纤激光器，由一个单模中心和一个环形光束组成的光束源的强度分布可以瞬间从一个典型的高斯分布切换到六个不同的环形分布。两个重叠激光束的不同功率输出产生吸引人的均匀能量输入，同时避免飞溅和热破裂。
加速寿命试验表明，当超过2000万梁变化时，性能不变。在到达标准QBH兼容输出连接器之前，光束永远不会离开光纤柱，从而消除了任何污染或错位。自动对焦为所有光束设置提供了出色的光束质量，M2值介于~1和5之间，因此焦深较大。比如放大5倍时，单模设置的瑞利范围为3.4mm，最大环形光束增加到8.1mm..此外，AFX光束在束腰两侧保持长距离的形状。因此，AFX为所有步进设置提供了一个大的处理窗口。
提高L-PBF速度和稳定性
佛罗里达州霍夫市的IAPT和几家设备制造商已经证明并量化了L-PBF的AFX全光纤光束整形在提高生产率和零件质量方面的优势。具体来说，AFX显著提高了L-PBF的建造速度，同时保持了优异的材料质量。这种无与伦比的优势组合源于AFX精确控制工件热沉积的能力。
与标准单模光束相比，AFX的优化光束轮廓显著降低了熔池的不稳定性，并减少了对材料质量和产量产生负面影响的烟灰和飞溅的产生。反过来，这种优势可以显著提高激光功率、扫描速度和L-PBF构建率。
3D科学谷了解到最近的成果包括:
乌头3D显示，AFX可以将钛合金的构建速率提高7.8倍，从标准单模光纤激光器的5.4 cm3/hr提高到AFX的42.1 cm3/hr。这种增长是由于熔化体积增加了4倍，扫描速度增加了近2倍，同时保持了优异的材料质量。
慕尼黑工业大学的研究表明，AFX可以同时提高不锈钢316L的L-PBF的建造速率和工艺窗口。AFX可以使用更高的激光功率、更快的扫描速度和更大的工艺窗口。
特别地，试图增加单模高斯光束的功率会导致不期望的球化或小孔效应，这限制了L-PBF的生产率。相比之下，指数为4-6的AFX功率可以在没有这种工艺不稳定性的情况下增加，从而实现更高的构建速率。
弗劳恩霍夫IAPT的粉末床金属组显示，铝合金的建造速度提高了3倍，具有优异的材料质量，并提供了广泛的工艺窗口。通过进一步优化，有望进一步提高生产率。
图:熔池中的温度分布和再凝固材料的形状很大程度上取决于激光强度分布。高斯光束和平顶光束都会导致中心过热，从而导致轨道横截面不佳。相反，环形轮廓将产生平坦的温度分布，导致宽且平坦的轨道横截面。Af环形光束结合了高扫描速度和大阴影间距，比高斯光束具有更高的生产率。工艺窗口明显变大，零件密度没有降低。
德国亚琛Flawn Hof激光研究所的Fraunhofer ILT激光粉末床熔化研究组证明AFX提高了镍基合金625.4的构建速度、工艺窗口和材料质量。
使用AFX提高构建速度，直接导致打印组件的整体成本大幅降低。对于典型的铝增材制造部件，成本降低了60%。
材料特性的局部控制
除了生产率和成本优势，AFX还通过控制局部微结构和材料特性，为L-PBF制造开辟了一个新的领域。
根据3D科学谷的文章《航空航天制造业常见的3D打印合金的特性、加工特点和加工挑战》，增材制造可以制造定制的双金属和多金属。可以在设计中离散地添加材料，以优化热特性或结构特性。可以制造具有结构外壳、法兰、凸台或其他特征的产品，以优化整个子系统的重量。这些可以包括离散的金属过渡或功能梯度材料。
毫无疑问，AFX让合金制造更加自由！
金属添加制造材料
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AFX独特的图案轮廓可以控制熔池中的热梯度和凝固动力学，已发现这决定了材料的微观结构，提供了一种新的设计可能性。由于AFX光束的形状可以立即改变，因此可以局部设计微结构，从而为整个零件赋予新的功能和优化的特性:
乌头3D将Inconel 718的L-PBF的AFX环形模式轮廓与具有相似有效直径的散焦高斯光束进行比较。发现AFX环梁可以提高屈服强度和屈服伸长率。这些关键的材料属性通常是反向相关的，需要进行权衡，但AFX已经将它们解耦。这种能力提供了新部件功能和性能的潜力，尤其是单个零件内可变的材料特性。
慕尼黑工业大学发现AFX可以控制不锈钢316L的微观结构和材料性能。不同的AFX光束形状可以优化熔体轨迹的几何形状和温度分布，从而控制晶粒生长方向和织构，进而决定材料特性。通过这种对晶粒生长的战略控制，可以对最终的部件特性进行微调。例如，组件的某些部分可以做得特别硬或特别柔韧，而不需要任何额外的后处理。使用复杂的曝光策略，还可以在单个组件中更改属性。
合金设计和优化中的增材制造技术
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突破L-PBF的电流极限
AFX光纤激光可以显著提高各种金属和合金的L-PBF的生产率，从根本上改变L-PBF制造零件的经济性。关键的贡献因素是针对L-PBF优化的光束形状，包括真正的单模、紧凑的环以及介于两者之间的各种形状，所有这些形状都具有出色的光束质量。可以直接从馈电光纤快速调谐光束轮廓，而不需要会降低性能和影响稳定性的free 空光学器件或其他元件。AFX光纤激光器的功率高达1.2 kW，该技术可以扩展到更高的功率和其他光束形状。
虽然这里显示的结果是在AFX单激光器设置中实现的，但其优点也适用于多激光器配置。这种方法可以将最新的多激光L-PBF机的生产率提高到更高的记录。
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AFX正在实现新一代高生产率L-PBF选择性激光熔化金属3D打印工艺，为L-PBF成为量产金属增材制造技术铺平了道路。此外，AFX控制局部微观结构和材料特性的独特能力为制造具有以前制造技术无法实现的材料特性、功能和性能的零件提供了潜力。
知之深，行之远。基于制造业专家和智库的全球网络，3D科学谷从全球视角为行业提供了对增材和智能制造的深入观察。更多增材制造领域的分析，请关注3D科学谷发布的系列白皮书。
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