了解增材制造中的激光器基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于理解基于激光的增材制造對(duì)行業(yè)增長的影響至關(guān)重要。本文對(duì)基于激光的增材制造中使用的各種類型的激光器進(jìn)行了全面的介紹，對(duì)其工作原理、光學(xué)配置以及各自優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行了比較分析，是從業(yè)人員的必讀文章。

增材制造中的常用激光器

激光器通常由增益介質(zhì)、泵浦能量源和光學(xué)諧振器組成。放置在光諧振器內(nèi)部的增益介質(zhì)使用泵浦源提供的外部能量通過受激輻射來放大光束。激光器通常按使用的增益介質(zhì)分類可分為固體激光器、氣體激光器、準(zhǔn)分子激光器、染料激光器、光纖或半導(dǎo)體激光器。增材制造中使用的最具代表性激光器包括氣體激光器、固體激光器和光纖激光器，如圖1所示。這些激光器通常用于增材制造和許多其他精密制造應(yīng)用。

一、CO2激光器

CO2激光器是最早的氣體激光器之一，于1964年開發(fā)。CO2激光器由放電管、泵浦源和若干光學(xué)器件組成，如圖2所示。

在CO2激光器中，氣態(tài)增益介質(zhì)CO2充滿放電管并通過直流或交流電進(jìn)行電泵浦，引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生激光。CO2激光器可以產(chǎn)生波長為9.0~11.0μm的紅外光，其中10.6μm是增材制造中使用最廣泛的波長。對(duì)于紅外波長范圍激光的傳導(dǎo)，光學(xué)部件需要使用特殊材料，反射鏡通常為鍍銀或鍍金，窗口和透鏡使用鍺或硒化鋅。與其他連續(xù)波長激光器相比，CO2激光器具有高效率(5%~20%)和高輸出功率(0.1~20kW)的特點(diǎn)，因此廣泛用于材料加工，例如切割、鉆孔、焊接和表面改性。CO2激光器一般由兩個(gè)反射鏡和之間的電動(dòng)抽氣管組成，其中反射鏡包括一端的高反射率鏡和另一端的部分反射鏡(輸出耦合鏡)。此外，還包括用于電極冷卻的散熱裝置，以實(shí)現(xiàn)超過千瓦級(jí)別的高功率運(yùn)行。系統(tǒng)的簡單性帶來了低成本、高可靠性和系統(tǒng)緊湊性，這使得CO2激光器成為精密制造的主力軍。然而，由于在能量泵送至大量CO2氣體的過程中產(chǎn)生熱量，激光結(jié)構(gòu)的熱膨脹和收縮導(dǎo)致輸出功率相對(duì)不穩(wěn)定，氣體輔助熱擴(kuò)散過程中的氣體湍流也可能引起不穩(wěn)定性。在高功率操作中，應(yīng)每2000h檢查一次整體光學(xué)器件的疲勞度。在金屬零件的制造中，由于金屬對(duì)紅外線區(qū)域光吸收系數(shù)較低，CO2激光器的工作效率受到限制。此外，由于缺少在紅外波長范圍內(nèi)傳輸?shù)墓饫w，CO2激光器需要使用光學(xué)器件進(jìn)行空間光束傳輸，因此，為了更廣泛的材料加工或利用能夠基于光纖的光束傳輸，必須考慮其他類型的激光器。

二、釔鋁石榴石(Nd∶YAG)固體激光器

Nd∶YAG激光器是一種使用棒狀Nd∶YAG晶體作為固體增益介質(zhì)的激光器。Nd∶YAG激光器和CO2激光器是業(yè)界最常用的兩種高功率激光器。在Nd∶YAG激光器中，增益介質(zhì)由閃光燈沿徑向方向進(jìn)行光泵浦，或由808nm激光二極管沿軸向泵浦，以產(chǎn)生1064nm的近紅外(NIR)輸出波長，如圖3所示。

在此工作波長下，光束可以通過柔性光纖傳輸，在系統(tǒng)緊湊性和高傳輸效率方面是較CO2激光器的顯著優(yōu)勢(shì)之一。Nd∶YAG激光器在連續(xù)模式(摻有低濃度的晶體)和脈沖模式下(摻有高濃度的晶體)都可以工作。連續(xù)模式下的輸出功率高達(dá)幾千瓦，而脈沖模式下的峰值功率則高達(dá)20kW(脈沖能量高達(dá)120J)。

傳統(tǒng)的Nd∶YAG激光器通常由氙氣閃光燈進(jìn)行光泵浦，電光功率轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。低功率效率會(huì)導(dǎo)致光束質(zhì)量低下，因?yàn)榇蟛糠治次盏哪芰慷家詿崃康男问缴l(fā)，光學(xué)元件的加熱會(huì)引起熱透鏡效應(yīng)和雙折射效應(yīng)，從而導(dǎo)致光束質(zhì)量差。閃光燈短壽命可以通過使用二極管激光器代替泵浦光源(二極管泵浦固態(tài)(DPSS)激光器)來克服。由于激光二極管具有更高的電光功率轉(zhuǎn)換效率以及增益介質(zhì)的選擇性激發(fā)，與燈泵浦激光器相比，該種激光器的整體功率效率可提高約5倍。在增材制造中，Nd∶YAG激光器已被更緊湊，更高效的鐿(Yb)摻雜光纖激光器取代。但是，Nd∶YAG激光器的普遍性和易用性仍然使它們?cè)趨?shù)研究工作中大量使用。

三、鐿(Yb)摻雜的光纖激光器

光纖激光器是指其光纖增益介質(zhì)摻有稀土的激光器。在光纖激光器的首次開發(fā)的幾年中，與固體激光器相比，光纖激光器在輸出功率和脈沖能量方面性能有限。然而，由于光纖激光器在過去幾十年中的不斷發(fā)展，已成為最有希望替代傳統(tǒng)固體激光器的光源。在各種稀土摻雜增益光纖中，Yb摻雜光纖由于其量子效率高(高達(dá)94%)，有利于高功率激光產(chǎn)生，如圖4所示。

因此，光纖激光器廣泛用于材料加工并已在增材制造中替代了Nd∶YAG激光器。光纖激光器由在950~980nm波長范圍激光二極管泵浦，產(chǎn)生1030~1070nm的輸出波長的近紅外激光束。基于光纖的增益介質(zhì)和光學(xué)組件的特性，帶來了包括高電光效率(~25%)、高光束質(zhì)量、抗干擾性強(qiáng)以及系統(tǒng)緊湊性好等優(yōu)點(diǎn)。然而Yb光纖激光器也存在由于光在光纖內(nèi)部傳播而產(chǎn)生一些限制。對(duì)于固體激光器，光在空氣中傳播，空氣作為光導(dǎo)介質(zhì)的影響較小。相反，當(dāng)光通過光纖傳播時(shí)，激光受到引導(dǎo)介質(zhì)即光纖的強(qiáng)烈影響，特別是在其非線性特性上，高峰值功率引起的光學(xué)非線性效應(yīng)(例如自聚焦、自相位調(diào)制、克爾透鏡效應(yīng)和拉曼效應(yīng))會(huì)限制激光器的性能。光纖彎曲、振動(dòng)和溫度變化會(huì)導(dǎo)致偏振變化，為了獲得更高的環(huán)境穩(wěn)定性，需要使用偏振保持(PM)光纖作為增益和光導(dǎo)介質(zhì)。

四、準(zhǔn)分子氣體激光器

準(zhǔn)分子激光器使用“準(zhǔn)分子”作為增益介質(zhì)，并通過脈沖放電泵浦以在紫外(UV)區(qū)域產(chǎn)生納秒級(jí)脈沖。準(zhǔn)分子是激發(fā)二聚體的簡稱，是包含稀有氣體(例如氬氣或氙氣等)、鹵素(例如氟氣或氯氣等)和緩沖氣體(通常是氖氣或氦氣)的氣體混合物。在工作波長范圍為157~351nm(取決于氣體混合物)的各種準(zhǔn)分子激光器中，ArF、KrF和XeCl激光器(分別產(chǎn)生193、248和308nm波長光束)是制造中應(yīng)用最多的準(zhǔn)分子激光器。準(zhǔn)分子激光器還包括泵浦源、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振器，如圖5所示。

增益介質(zhì)以與其他氣體激光器(例如CO2)相同的方式被電流泵浦。準(zhǔn)分子激光器只能在脈沖模式下運(yùn)行，產(chǎn)生的脈沖重復(fù)頻率僅為幾kHz，平均輸出功率在幾瓦到幾百瓦之間。紫外線脈沖激光的產(chǎn)生在制造應(yīng)用中非常重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)光學(xué)材料在紫外波長區(qū)域具有高吸收率。然而，由于光束質(zhì)量相對(duì)較差，維護(hù)以及運(yùn)行成本較高使得準(zhǔn)分子激光器在增材制造中應(yīng)用較少。

激光在增材制造應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)

2-1 工作波長

由于不同的材料與不同的激光波長之間的相互作用，激光的工作波長是增材制造中要考慮的最重要的參數(shù)。表1列出了在Nd∶YAG和CO2激光器的工作波長下各種松散粉末狀態(tài)材料的吸收率。

在基于激光的增材制造中，目標(biāo)材料應(yīng)該有效地與入射激光相互作用，因此，期望在特定激光波長下的高材料吸收以達(dá)到較高的生產(chǎn)效率。對(duì)于金屬粉末，激光的波長越短，其光吸收率越好。因此，在金屬打印過程中，工作波長為1064nm的Nd∶YAG或Yb光纖激光器比工作波長為10.6μm的CO2激光器具有更高的效率。相反，聚合物材料作為增材制造中使用的最重要的材料之一，其在10.6μm處的吸收率比在1064nm高得多，如圖6所示。這正是聚合物廣泛使用CO2激光器的原因。

工作波長也與聚焦性有關(guān)，而聚焦性決定了最終的制造分辨率。由于光學(xué)衍射極限，最小聚焦光斑尺寸與波長成正比，因此CO2激光器不適合微/納米尺度的制造。

2-2 平均功率、脈沖能量和強(qiáng)度

激光是將能量傳遞給打印材料的能源之一，因此，定義為單位面積激光功率的功率密度即強(qiáng)度與工藝產(chǎn)量密切相關(guān)。首先，激光強(qiáng)度必須超過一定的能量閾值以使目標(biāo)材料達(dá)到原位固化、燒結(jié)或熔化所需的條件。對(duì)于粉末或線材形式的材料，該條件與燒結(jié)溫度或熔點(diǎn)有關(guān)，而對(duì)于光聚合物樹脂材料來說，強(qiáng)度與其固化或聚合有關(guān)。與大多數(shù)燒結(jié)或熔化溫度相對(duì)較低的聚合物高分子材料不同，陶瓷等一些材料具有極高的熔點(diǎn)(如二硼化鋯，熔點(diǎn)3245°C)，因此需要極高強(qiáng)度的激光。此外，具有高反射率或高熱擴(kuò)散率的材料如鋁或銅等，也需要高強(qiáng)度激光來克服溫度升高過慢的問題，若激光強(qiáng)度高于制造閾值，采用更高強(qiáng)度的激光也可以提高成形構(gòu)建速率。圖7為Frazier描述的在金屬的增材制造中成形速率、功率和特征質(zhì)量之間的關(guān)系。

可以看出，通過采用更高功率的激光可以增加成形速率，但是在高成形速率下制造的特征質(zhì)量將會(huì)降低。因此，應(yīng)綜合考慮成形速率和特征質(zhì)量，在滿足材料成形的閾值能量基礎(chǔ)上選擇光束功率。激光束的聚焦強(qiáng)度不僅與平均功率成比例關(guān)系，還與最終由工作波長所決定的聚焦光斑尺寸成比例。雖然CO2激光器和Yb光纖激光器具有相同的平均功率，但是Yb光纖激光器的強(qiáng)度可能比CO2激光器高數(shù)百倍，這是由于聚焦光斑強(qiáng)度與激光波長的平方成反比，Yb光纖激光器的波長更短、光束質(zhì)量更高，所以Yb光纖激光器的激光束聚焦光斑可以比CO2激光器小得多。

2-3 脈沖寬度

激光工作模式在時(shí)域上可分為連續(xù)模式或脈沖模式。在連續(xù)模式下，輸出功率保持恒定且與時(shí)間無關(guān);而在脈沖模式下，激光器僅在短脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)以固定的重復(fù)率發(fā)射輸出功率。除只能在脈沖模式下工作的準(zhǔn)分子激光器外，大多數(shù)激光器可以在兩種模式下工作。脈沖模式可以通過調(diào)Q、鎖模或脈沖泵浦實(shí)現(xiàn)，脈沖模式可以產(chǎn)生比連續(xù)模式更高的峰值功率。脈沖持續(xù)時(shí)間為幾納秒的Nd∶YAG激光器可產(chǎn)生峰值功率為數(shù)百毫瓦的脈沖，可在毫秒的曝光時(shí)間內(nèi)熔化大多數(shù)目標(biāo)材料。具有高峰值功率的激光脈沖可以瞬間提高材料的溫度，同時(shí)向周圍材料的熱能傳遞耗散很小，這使得更容易達(dá)到加工所需的閾值能量。相反，在連續(xù)波模式中，激光以相同的平均功率擴(kuò)散到周圍的材料，使得難以達(dá)到閾值能量。圖8為Mumtaz等研究基于SLM增材制造工藝的Nd∶YAG脈沖激光器處理鎳基625合金時(shí)，熔化條件、脈沖能量和脈沖持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系示意圖。

在SLM工藝過程中，被激光束照射的材料應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)充分加熱，因此在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)需要高脈沖能量來熔化金屬粉末。一般地，對(duì)于從連續(xù)波到幾十皮秒脈沖持續(xù)時(shí)間的激光，其與材料的相互作用可以通過熱擴(kuò)散來解釋，并且其閾值和脈沖的時(shí)域?qū)挾鹊钠椒礁杀壤P(guān)系。

2-4 光束質(zhì)量和聚焦光斑尺寸

光束質(zhì)量和聚焦光斑大小是空間域中的激光參數(shù)，為了提高制造精度，必須將這些參數(shù)考慮在內(nèi)。在增材制造中，通常以“光束參數(shù)乘積(BPP)”定義光束質(zhì)量。它是光束在空間域中的寬度(光腰束寬)和在空間頻率域中的角譜寬度(遠(yuǎn)場發(fā)散角)的乘積(mm·mrad)。BPP與功率密度密切相關(guān)，并影響制造分辨率，該因素取決于增益介質(zhì)、泵浦源、諧振器結(jié)構(gòu)和工作波長。特別是工作波長決定了BPP的下限，即λ/π，定義為衍射極限，例如，1064nm的Nd∶YAG激光束的最小BPP約為0.339mm·mrad。理想情況下，當(dāng)光束輪廓是完美的高斯形狀時(shí)，可以獲得最小BPP。

M2因子(光束質(zhì)量因子)也是定義光束質(zhì)量的一種更為簡單的方式，其與波長因素?zé)o關(guān)M2因子定義為BPP除以λ/π，若為理想的高斯光束，則M2因子為1。CO2激光器、Nd∶YAG激光器和Yb∶YAG(摻鐿釔鋁石榴石)激光器的光束質(zhì)量如圖9所示，其中的實(shí)線表明由工作波長下的衍射極限所確定的BPP和M2因子之間的關(guān)系。

盡管CO2激光器的衍射極限比Nd∶YAG激光器高10倍之多,但其BPP值為3~5mm·mrad，與二極管泵浦的Nd∶YAG激光器相似。值得注意的是，由于更為簡單的光學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的電泵浦方法，CO2激光器具有相對(duì)較低的BPP值且其M2因子接近為1。Yb光纖激光器的光束最接近高斯光束，其優(yōu)良光束質(zhì)量可以歸因于其基于光纖的傳播方式;當(dāng)激光束通過光纖傳播時(shí)，由于光纖有限的模場直徑，高階空間模得以濾除，只有單一或有限數(shù)量的空間模保留在其內(nèi)部。相比之下，準(zhǔn)分子激光器由于其高階空間模式和高光束發(fā)散角，光束質(zhì)量相對(duì)較差，此外，它的輸出光束形狀為矩形且在X軸和Y軸上具有不對(duì)稱的發(fā)散角。

基于激光的增材制造技術(shù)

目前，基于激光的最具代表性增材制造工藝包括立體光刻技術(shù)(SLA)、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)和激光熔覆技術(shù)(LENS)。根據(jù)美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)“ASTMF42–增材制造”的分類定義，SLA歸類為光聚合工藝;SLS和SLM歸類為粉床工藝;LENS歸類為有向能量沉積工藝。這些工藝?yán)貌煌愋偷募す夂筒牧铣练e方法來實(shí)現(xiàn)逐層制造。

3-1 立體光刻(SLA)

SLA是最早的增材制造方法之一，首先由美國人ChuckHull于1984年申請(qǐng)專利。SLA是一種通過將紫外(UV)激光聚焦在光敏聚合物樹脂槽上而進(jìn)行選擇性光聚合的工藝。激光束在要固化的樹脂層上繪制出輪廓，之后下降一層的距離，再將下一層未固化的樹脂在前一層的頂部固化，重復(fù)此過程，直到獲得所需的三維結(jié)構(gòu)或部件為止。紫外光是許多光化學(xué)及光聚合過程中的重要波長，SLA工藝中的聚合反應(yīng)一般為基于自由基或陽離子，在自由基聚合中，光引發(fā)劑吸收入射的光子，然后產(chǎn)生自由基，自由基開始聚合反應(yīng)。因此，為了獲得更高的效率，激光源的工作波長必須與光引發(fā)劑的高吸收波長范圍相匹配，通常在紫外波長范圍內(nèi)。早期SLA工藝所用商業(yè)化的樹脂主要是丙烯酸基，目前使用的新型樹脂主要是基于環(huán)氧樹脂，因?yàn)榛诃h(huán)氧樹脂的樹脂材料具有更好的機(jī)械性能和較小的收縮率。商業(yè)SLA系統(tǒng)利用摻釹釩酸釔(Nd∶YVO4)二極管泵浦中心波長為1064nm的固態(tài)激光器，然后通過3次諧波過程，將其波長轉(zhuǎn)換為355nm。

為了固化光敏樹脂，臨界激光強(qiáng)度(Ec)必須高于某個(gè)閾值。常用光敏樹脂的Ec值介于4.3~7.6mJ/cm2之間。當(dāng)高斯激光作為光源時(shí)，樹脂的固化線類似于拋物線形狀，如果掃描速度增加或光斑尺寸減小，則層厚度通常會(huì)減小。掃描速度增加或光斑尺寸增大會(huì)嚴(yán)重影響Ec，進(jìn)而影響樹脂的聚合。Yi等研究結(jié)果如圖10所示，主要描述了相對(duì)于不同的光斑直徑、層厚度和掃描速度之間的關(guān)系，表明可以通過控制這兩個(gè)參數(shù)來調(diào)節(jié)層厚度。

大多數(shù)SLA工藝3D打印機(jī)使用的是紫外波段范圍內(nèi)的激光器，但有時(shí)也會(huì)使用紫外范圍以外的其他波長。采用紅外激光作為能源的SLA技術(shù)稱為紅外(IR)SLA，IRSLA利用熱引發(fā)的過程代替了通常的紫外激光引發(fā)的聚合過程，通常以CO2激光為熱敏樹脂提供熱能。

微立體光刻法(μSL)是另一種從傳統(tǒng)的SLA工藝衍生而來的技術(shù)，用于生產(chǎn)具有微米分辨率的小型復(fù)雜模型。μSL與傳統(tǒng)光固化增材制造工藝類似，均為施加能量源以光固化光敏聚合物，但μSL通常采用較小的光斑尺寸，并且需要精確控制照射到樹脂上的激光能量，使其接近聚合所需的臨界能量。可使用高吸收性反應(yīng)介質(zhì)和中性吸收劑，從而有助于形成更薄的聚合層以獲得更好的橫向分辨率。

3-2 選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)

SLS是由CarlR.Deckard于1980年代中期開發(fā)并獲得專利的一種增材制造工藝。通過在頂部上堆疊多層燒結(jié)的粉末，可以構(gòu)造復(fù)雜的零件和結(jié)構(gòu)。該工藝使用高功率激光器以提供粉末燒結(jié)所需的熱能。采用光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)將激光束聚焦到所需位置，然后將新的粉末層沉積在已燒結(jié)材料的頂部，并重復(fù)該過程，直到獲得所需的三維零件為止。當(dāng)溫度升高到金屬的熔點(diǎn)或聚合物的軟化點(diǎn)以上時(shí)，粉末顆粒之間就會(huì)發(fā)生燒結(jié)。在某些情況下，添加黏合劑(通常在金屬SLS中采用)作為犧牲材料，以改善具有高硬度材料的燒結(jié)工藝。為了燒結(jié)更大尺寸的粉末顆粒，具有低熔融溫度的黏合劑材料會(huì)熔化并流入由非熔融顆粒形成的小孔中。

根據(jù)材料的類型，SLS工藝通常使用CO2和Yb光纖激光器。大多數(shù)SLS機(jī)器通常使用平均功率幾十到幾百瓦的CO2激光器，因?yàn)榫酆衔镌诖斯ぷ鞑ㄩL下具有高吸收率，Heo的研究表明CO2激光器還可以用于氧化物陶瓷和復(fù)合材料的燒結(jié)。然而，金屬粉末的激光燒結(jié)需要Nd∶YAG激光器或更常見的Yb光纖激光器，它們能產(chǎn)生波長為1064nm的激光束，該波長更接近于金屬粉末的高吸收率范圍。這種基于金屬的SLS工藝也稱為直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)，以區(qū)別于基于聚合物的選區(qū)燒結(jié)工藝。除金屬粉外，Nd∶YAG和Yb光纖激光器還可用于燒結(jié)硬質(zhì)陶瓷。波長等許多激光參數(shù)也會(huì)影響SLS打印零件的機(jī)械性能和幾何形狀，其中激光功率和掃描速度是影響燒結(jié)過程的主要參數(shù)。這兩個(gè)因素決定了粉末吸收的總能量密度，進(jìn)而影響了燒結(jié)零件的質(zhì)量。當(dāng)吸收的能量密度太低時(shí)，燒結(jié)可能不完全，所得的燒結(jié)部件將很脆弱，難以處理，但當(dāng)吸收的能量密度太高時(shí)，燒結(jié)的零件將被過量的激光能量損壞，或者零件內(nèi)部會(huì)發(fā)生不均勻的熔化，從而在零件打印過程中產(chǎn)生不均勻性，超過材料分解能的激光能量甚至可能導(dǎo)致材料汽化。最佳處理參數(shù)隨SLS中使用的目標(biāo)材料的類型而變化，能量密度不同所導(dǎo)致的材料燒結(jié)效率變化可以通過工藝圖來表示。圖11為采用CO2和Nd∶YAG激光器燒結(jié)的不銹鋼–銅合金的工藝圖。

不銹鋼–銅合金在CO2和Nd∶YAG激光器的波長下具有不同的能量吸收率，因此需要不同的工藝參數(shù)。與使用CO2激光器的情況相比，使用Nd∶YAG激光器，不銹鋼–銅合金具有更大的可激光燒結(jié)加工區(qū)域，并且隨著能量密度的增加，燒結(jié)材料的層厚度通常會(huì)增加。

3-3 選區(qū)激光熔化(SLM)

SLM是將激光束入射到金屬粉床上以制造三維零件的過程，與SLS相似，激光加工和粉末鋪設(shè)的重復(fù)過程將目標(biāo)逐層構(gòu)建為所需的幾何形狀。在SLM中，相對(duì)較高功率的激光完全熔化了金屬粉末的每一層，而不是燒結(jié)粉末。SLS中使用的材料包括各種聚合物以及金屬，但SLM僅使用某些金屬，如鋼、鈦、鋁和合金。與SLS工藝類似，SLM工藝通過使用掃描振鏡將激光束定向到指定位置，SLM和SLS之間的主要區(qū)別在于顆粒之間的結(jié)合過程，SLM過程主要是粉末顆粒的完全熔化和固化，從而改善了微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，但同時(shí)將材料從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w時(shí)會(huì)存在不穩(wěn)定性，冷卻凝固時(shí)亦然。激光參數(shù)(例如波長、重復(fù)率、脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖能量)會(huì)極大地影響熔化和凝固過程，因此對(duì)打印零部件的性能產(chǎn)生很大影響。需要根據(jù)金屬粉末的特性(例如粒徑，形狀和吸收率)來優(yōu)化激光參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)良好的粉末結(jié)合穩(wěn)定性和零件孔隙率。金屬粉末材料吸收率對(duì)試驗(yàn)條件非常敏感，例如，在不同的激光功率密度下測(cè)試了鎳合金粉末相對(duì)于時(shí)間的吸收率，如圖12所示。

利用波長為1.06μm的Nd∶YAG激光器進(jìn)行了功率密度為100W/cm2和250W/cm2兩種強(qiáng)度下的測(cè)試，由于粉末熱物理性質(zhì)的急劇變化，吸收率迅速提高。在100W/cm2的溫度下，通過表面熔化燒結(jié)粉末，并在加工過程中重新排列顆粒，因此吸收率在熱平衡點(diǎn)達(dá)到飽和。同時(shí)，在250W/cm2的情況下，長時(shí)間加熱會(huì)引起顆粒的明顯熔化，隨后由于孔隙率的急劇降低而導(dǎo)致吸收率降低。

在SLM工藝中，一般選擇波長比CO2激光波長更短的Nd∶YAG和Yb光纖激光器，因?yàn)榻饘兕w粒通常在較短的光波長下具有更高的吸收率。為了進(jìn)一步提高銅合金的吸收率，德國弗勞恩霍夫(Fraunhofer)快速制造集團(tuán)開發(fā)了“綠色SLM”項(xiàng)目，采用波長在515nm的綠光激光器，該波段激光束能夠達(dá)到更好的聚焦效果，并將銅的吸收率提高到70%，使得利用此種光源的SLM工藝制造更加精密的部件，圖13為其采用綠光激光器所打印的銅零件。

改善光束質(zhì)量的激光器具有更高的制造精度，例如薄盤激光器，因此，當(dāng)今大多數(shù)商用SLM機(jī)器都使用Yb光纖激光器作光源，從而擺脫了效率較低的CO2激光器。此外，還引入了在單個(gè)打印機(jī)中使用多個(gè)激光器組合的方法，以提高SLM的零件質(zhì)量和打印速度。

3-4 激光熔覆沉積技術(shù)(LENS)

LENS也是增材制造工藝之一，根據(jù)ASTM歸類為定向能沉積，有時(shí)也稱為直接光制造(DLF)、直接金屬沉積(DMD)、激光金屬沉積(LBMD)、激光自由成形制造(LFF)和激光直接鑄造等其他術(shù)語。圖14為典型的LENS工藝示意圖。

在LENS中，打印材料通過噴嘴以粉末或金屬絲的形式以受控的速率通過噴嘴分配到高功率激光束聚焦的熔池中。通常，整個(gè)物料分配系統(tǒng)和激光聚焦模塊都安裝在多軸機(jī)械臂上，可以沿著相同的路徑移動(dòng)。由于系統(tǒng)的靈活性，LENS還可以用于修復(fù)和修補(bǔ)一些設(shè)備零部件。當(dāng)將激光束聚焦到焦平面上的較小點(diǎn)時(shí)，在深度方向(靠近焦平面)會(huì)有一定范圍的激光束，其能量密度足以熔化金屬粉末，形成熔池。焦平面定位、掃描速度、激光功率和進(jìn)給速度是決定熔池中沉積的厚度和體積的關(guān)鍵參數(shù)。熔池的厚度應(yīng)與LENS系統(tǒng)的最小層厚度相匹配，如果熔池的大小不一致，沉積加工的零部件將由于不同層之間熔池厚度不均勻，造成性能下降。

3-5 激光微納增材制造技術(shù)

近年來，超短(皮秒或飛秒)脈沖激光已經(jīng)成為微米和納米粒子燒結(jié)過程中的最高效工具。研究表明，皮秒激光可以對(duì)納米粒子進(jìn)行激光誘導(dǎo)納米焊接，飛秒激光可以以大于3×1010W/cm2的強(qiáng)度完全熔化銀納米顆粒(直徑3~6nm)。在傳統(tǒng)熱燒結(jié)中，銀納米顆粒密集燒結(jié)，熱燒結(jié)所需時(shí)間較長(20~60min)會(huì)對(duì)聚合物基材造成熱損傷。激光燒結(jié)等光子燒結(jié)技術(shù)可以通過光熱效應(yīng)燒結(jié)金屬顆粒，但是，燒結(jié)使用脈沖持續(xù)時(shí)間為幾毫秒的光源同樣會(huì)熱損壞柔性基板。此外，強(qiáng)脈沖激光的廣譜波長使得難以控制光吸收。然而，Noh等將激光的脈沖寬度縮短至飛秒，并將激光的波長調(diào)整為特定的顆粒/基材系統(tǒng)可以有效避免熱損傷。

采用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行納米粒子燒結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)小型結(jié)構(gòu)的高分辨率數(shù)字圖案化技術(shù)。與長波長激光器相比，通過聚焦受激準(zhǔn)分子激光束可以產(chǎn)生較小的光斑，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。準(zhǔn)分子激光器使用“準(zhǔn)分子”作為增益介質(zhì)，并通過脈沖放電泵浦以在紫外(UV)區(qū)域產(chǎn)生納秒級(jí)脈沖。雙光子聚合增材制造技術(shù)也是目前研究的熱點(diǎn)。SLA是使用紫外線激光的單光子聚合過程，它的加工分辨率受到經(jīng)典光學(xué)衍射極限的限制，很難滿足高分辨率微納米結(jié)構(gòu)的加工要求。與SLA不同，使用近紅外飛秒激光的雙光子聚合增材制造技術(shù)可以突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射的局限，并構(gòu)造具有任意形狀的納米級(jí)高分辨率三維結(jié)構(gòu)。

商用增材制造設(shè)備中激光器

了解增材制造中使用的激光器類型對(duì)于理解基于激光的增材制造最新技術(shù)至關(guān)重要。表2總結(jié)了在不同商用增材制造設(shè)備中使用的各種激光器。

對(duì)于不同增材制造工藝，目前所有主流增材制造設(shè)備公司均在使用Yb光纖激光器。CO2激光器通常用于聚合物粉末的SLS工藝中，而光敏聚合物樹脂工藝設(shè)備則多采用三倍頻的Nd∶YVO4激光器。當(dāng)然，新的技術(shù)也正在開發(fā)中，并適用于各種增材制造技術(shù)應(yīng)用。目前，基于SLA工藝的新型激光技術(shù)研發(fā)也備受關(guān)注，其中包括波長為325nm的He–Cd激光器和波長為364nm的Ar準(zhǔn)分子激光器。而飛秒、皮秒激光器由于在3D打印過程中可實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)或高熱擴(kuò)散率材料的加工，其開發(fā)應(yīng)用也越來越多。

結(jié) 論

（1）長期以來CO2和Nd∶YAG激光器不僅是增材制造的工業(yè)力量，而且還因?yàn)槠涓咝阅芎统杀拘б娑蔀楦鞣N基于激光的制造技術(shù)。

（2）Yb光纖激光器具有更高的平均功率，較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，高水平的參數(shù)可調(diào)性和較低的維護(hù)成本等方面特征，因此正逐漸替代Nd∶YAG激光器。

（3）盡管準(zhǔn)分子激光器光束質(zhì)量相對(duì)較低且成本較高，但可用于需要高功率UV激光束的增材制造，以用于各種研究目的。

（4）基于激光的增材制造中的可打印材料，精度和生產(chǎn)效率等制造性能，必須根據(jù)目標(biāo)性能選擇用于增材制造的激光源。

未來，增材制造將與激光技術(shù)保持緊密聯(lián)系，可以預(yù)見，基于激光的增材制造將逐漸取代傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)，或配合傳統(tǒng)的制造技術(shù)以改善其性能，開發(fā)傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

參考原文：《激光器在增材制造中的應(yīng)用》

作者簡介

北京工業(yè)大學(xué)陳繼民教授

1965.10出生,激光工程研究院教授、博士生導(dǎo)師，3D打印工程中心主任。中國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC562）委員，中國光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專業(yè)委員會(huì)委員，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工委員會(huì)理事，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，國際光學(xué)工程學(xué)會(huì)SPEI會(huì)員。1986.7在華中科技大學(xué)獲機(jī)械工程工學(xué)學(xué)士學(xué)位，同年推免華中科技大學(xué)機(jī)械工程研究生，1989年獲工學(xué)碩士學(xué)位。1998.9-2001.7在北京工業(yè)大學(xué)攻讀光學(xué)工程專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位，2000年1-6月德國Ravensburg合作研究。2001年7月進(jìn)入北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程博士后流動(dòng)站，2003年出站留校工作。2011年9月-2012年9月美國紐約州立大學(xué)Buffalo分校訪問學(xué)者。2016年獲中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)。2018年8月指導(dǎo)研究生參加第十三屆中國研究生電子設(shè)計(jì)競賽獲企業(yè)類一等獎(jiǎng)。主持完成了國家自然科學(xué)基金、北京市科委重大科技項(xiàng)目等，發(fā)表論文150余篇，出版專著4部，譯著1部。

作者：陳繼民

編輯：張維官，審核：王穎

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