光纤激光器在金属3D打印中的应用探索

金属材料增材制造（3D打印）工艺在航空、航天、航海、车辆、模具制造、医疗器械等领域需求量很大。目前，金属增材制造工艺使用的热源包括三种高能束，即激光束、电子束和微束等离子体，以及烧结热输入。其中，激光束是金属增材制造领域应用最广泛的高能光束热源。与电子束、微束等离子热源相比，激光束具有光斑细、成本低、可定向到指定材料位置等优点。可实现金属材料的瞬间熔化，满足熔体通道重叠和零件成型的要求。

激光3D打印的基本原理

激光3D打印所使用的激光器包括光纤激光器、半导体激光器、Nd:YAG激光器、CO2激光器等。不同的材料对不同波长的激光的吸收不同。通常，CO2激光器用于打印聚合物，而光纤激光器用于打印金属粉末。

根据加工方法的不同，激光增材制造可分为选择性激光烧结、选择性激光熔化、直接金属激光烧结、激光粉末沉积、直接金属沉积等。其中，选择性激光熔化（SLM）是最先进的制造方法之一。广泛应用的金属激光3D打印技术。

选区激光熔化（SLM）打印装置的基本结构如图所示。在打印之前，必须对3D模型进行分层，然后必须确定扫描轨迹。第一步，用刮刀将工作台均匀刮平，并在上面铺一层粉末；第二步是用激光在这层粉末上扫描特定轨迹，将其熔化并打印一层；第三步，将工作台向下移动一层，然后重复上述操作，将打印层从下到上堆叠，从而形成待打印的3D零件。为了防止氧化，整个过程中必须将工作室抽真空并充入惰性气体。

激光3D打印对激光器的需求
激光3D打印对激光器的需求主要体现在两个方面：一方面是功率和功率稳定性，另一方面是光束质量和光斑尺寸。

01 功率及功率稳定性

3D打印过程主要依靠激光的热效应。激光强度必须超过一定的能量阈值才能熔化材料。因此，它更关注激光器的平均输出功率，而对激光器的脉冲模式不敏感。因此，通常采用连续光纤激光器，功率大致分布在100W到1000W之间。
模型越大、层数越多，打印时间越长。持续时间一般为数小时至数十小时。因此，对激光器的长期稳定运行提出了很高的要求。如果温度太高，金属粉末可能会过度燃烧，甚至导致其他成型件重熔；如果温度太低，金属粉末未完全熔化，结合力不足，并且可能无法保持成形部件的形状。因此，激光器的功率稳定性对打印质量至关重要。

02 光束质量和光斑尺寸

光束质量和光斑尺寸是反映打印精度的关键参数之一。 3D打印是通过激光束扫描形成的。激光光斑越小，扫描精度越高，打印模型的分辨率越高，打印件表面越细腻。
光束质量通常用 BPP 或 M2 来表征。 M2越接近1，光束质量越好，激光能量越集中，对周围区域的热影响越小；同时，光束质量越好，相应的发散角越小，聚焦光斑也越小。

03 GW Laser Tech与FASTFORM在3D打印领域的探索
长城激光作为全球高亮度光纤激光器的领导者，也随着3D打印技术的兴起，积极探索这一应用领域，推出了针对3D打印应用的500W单模10μm/14μm连续光纤激光器，瞄准医疗领域器件、汽车零部件、航空航天等领域。

其中，10μm和14μm不同的纤芯直径决定了光斑尺寸，这主要影响激光功率密度，即单位面积的光能量多少。相同功率条件下，光斑尺寸越小，激光功率密度越大。高功率密度点适合打印高熔点或高反射的金属粉末。

产品优势：

➢ 超薄轻量化设计，19英寸1.5U高度设计，重量

➢ 产品结构采用封闭式设计，针对3D打印环境，大幅提高激光器整体可靠性，IP65防护等级，可在高温、高湿、高粉尘等恶劣环境下连续运行。

➢ 最大功率500W，足以成型奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、钛​​合金、镍基高温合金、铝合金、镁合金等常见金属材料。

➢ 功率稳定性好，每小时波动

➢ 光束质量好，M2

FASTFORM（FastForm）是一家专业从事3D打印技术和设备研发的公司，能够提供顶尖的快速成型服务和配套解决方案。我们与光汇激光建立了深度合作，未来将针对航空航天、汽车模型、生物医药等领域的关键零部件进行3D打印实验和研究。我们推出了FF-M140单激光产品、FF-M150教学专用型号、FF-M180D双激光牙科专用型号、FF-M300H 1000W高功率激光工业型号、FF-M500双激光型号、FF-M800四种激光产品，均已量产并支持定制化本地化解决方案。我们自主开发了FastLayer，一款多激光切片和路径生成软件。该设备全自动、无人值守。

该产品具有以下显着优点：

➢ 双向变速撒粉技术，粉末利用率高。

➢ 自主开发软件，一键完成自动切片和路径规划。

Ø 自带摄像头，可实现远程全自动控制和无人值守。

➢ 设备采用一体式焊接结构，稳定性高，安装方便。

3D打印行业现状及发展前景
目前，3D打印已进入快速成型时代。据中商产业研究院统计，2021年下游应用领域中机械行业占比最大，达到17.5%，其次是消费电子（16.6%）和汽车（16.1%）。随着消费电子和汽车行业的快速发展，未来3D打印在这两个领域的应用领域将进一步扩大。

产业规模方面，据中投网预测：2021-2025年3D打印年均复合增长率约为26.59%，2025年将达到701亿元。

3D打印涵盖设备、材料和服务三个方面，其中打印设备占比最大。据赛迪顾问发布的数据显示，2020年中国3D打印设备产业规模为92.54亿元，占比最大。

目前，3D打印设备的价格仍然较高。一方面是由于国外的专利和垄断。另一方面是因为我国3D产业起步晚、需求小、自主化程度低。随着我国高端制造业的升级发展、技术的发展和成本的降低，未来我国3D打印产业将呈现国产化程度不断提高的趋势。设备制造商之间的密切合作对于推动3D打印技术的规模化发展至关重要。

光汇激光不仅专注于激光产品技术的研究与创新，还在激光加工技术领域不断探索，致力于帮助客户解决应用问题。作为国内领先的3D打印设备制造商，FASTFORM熟悉3D打印的各个方面，拥有经验丰富的咨询团队，为客户提供3D打印领域专业的高端产品。未来，光辉激光将与FASTFORM共同推动激光3D打印技术在中国的应用和发展，助力产业升级。来源：光辉激光 作者：应用工程师顾家兴