激光增材制造（Laser additive manufacturing，簡稱LAM）正迅速成為原型制造和金屬部件生產的重要方法。然而，這項技術實際上還處于起步階段，在新材料開發以及在了解各項工藝參數如何對結果產生影響等方面，還需要做很多工作。尤其需指出的是，通常情況下，激光增材制造方法對激光性能產生相對較小的工藝窗口，意味著激光光束和掃描參數的微小變化便會對最終的質量結果產生顯著影響。
本文對提供最佳結果的激光光束所需要的特征做了研究，并且展示了一種新的光束監測技術如何在激光3D制造系統中實現快速測量。最終，這種技術將使光束問題在它們嚴重影響使用LAM生產的零件品質前便得到鑒別和糾正。
激光增材制造的基本原理
大多數傳統的加工技術屬于減材性質。也就是說，它們選擇性地從基材上去除材料以打造出所需的形狀。然而，增材制造手段的工作方式與其相反，它是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術。粉床熔融（PBF）——這一作為生產成品部件的主要的LAM技術，從本質上看是使用金屬粉末和激光源進行熔化的一種金屬3D打印技術。
在PBF工藝中，一層厚度約20-60μm的金屬粉末首先使用涂刷刀片被均勻鋪展在構建底板上，構建底板是指可以垂直移動的平臺。然后，激光對粉末進行掃描，以選擇性地熔化并以其所需的圖案將其重新固化。一道粉末層完成后，粉床的厚度被降低一定的數量，相當于粉末層的厚度，并且在其上面鋪展新的粉末層。激光寫入該粉末層，并重復該過程直至完成。最后，去除剩下的未熔化的粉末以展現出成品（圖1）。
圖1：粉床熔融（PBF）技術的基本步驟
PBF工藝通常在200-500W功率范圍內采用近紅外（NIR）摻鐿光纖激光器。它們以二維（x和y）形式掃描，并用高質量的f-theta掃描透鏡進行聚焦，以實現100μm范圍內的光斑尺寸。這種功率和光斑尺寸的結合有利于產生足夠的能量來快速熔化金屬粉末。事實上，重要的是確保功率密度在切割或鉆孔構建板時不會太高，或不會穿透金屬粉末太深。最理想的情況是：激光器應完全融化新的粉末層和前一道粉末層中的少量部分，以完全融合兩者，并在整個部件上實現均勻的材料性能。
當前的激光增材制造應用
聚合物材料在3D打印方面的靈活性和速度使其成為工程和原型設計中廣泛使用的工具。
PBF在使用金屬加工以及在為成品零部件提供強大的機械性能方面的能力使這種技術成為各行各業（包括航空航天、牙醫、賽車，甚至珠寶）制造實際生產零件的實用技術。
具體來說，PBF在生產采用其他方法成本高昂，以及機械復雜的高價值的關鍵部件的應用中最為有效。實例包括具有復雜曲線的形狀，以及內孔和通道等（圖2）。
圖2：PBF 工藝生產的傳感器支架具有旨在優化力學穩定性的復雜形狀，因此使用傳統的制造方法難以實現這些性能。
PBF工藝的一個突出例子是GE航空集團生產用于Leap噴氣發動機的燃油噴嘴。據GE航空表示，這個獨立部件創建了內部支撐結構和冷卻通道 - 取代了由18個獨立部件組成的機加工組件。采用激光增材制造技術打造的零件，與機加工生產的產品相比，其重量減少25%，而耐久性高出約5倍。由于每個Leap噴氣發動機都含有這些噴嘴中的19個組件，因此重量減輕會顯著降低燃料的用量。
技術挑戰
盡管市面上已經有許多先進的PBF交鑰匙系統，但是這些系統并不能為某些應用提供獲得成功所需的過程控制水平。例如，在制造過程中存在各種與可能造成淀積工藝困難或導致最終產品出現不理想的應力特性息息相關的零部件定向方面的考量因素。因而采用當前的商用型PBF系統無法完全解決這些問題。
此外，商用型激光增材制造系統也面臨著與材料成本相關的挑戰。例如，盡管這些系統能夠加工各種粉末類型，包括鋁、鈷、鈦、不銹鋼和鎳合金，但每種都需要不同的沉積參數。在許多情況下，這些是機器供應商專有的，通常必須以10,000-20,000美元的價格單獨購買。而且，由于它們被直接下載到機器中，用戶仍可能無法獲取和使用針對其特定需求用于優化或修改工藝流程所需的所有參數。
就材料方面來說，需注意的是目前使用的粉末基本上都是為傳統的鍛煉金屬制造技術開發的合金（其通常涉及熔融、成形和隨后的熱加工等多個步驟）。當在激光增材制造過程中迅速熔化和重新固化時，它們也不會產生所需的相同的物理性質（例如抗拉強度）。因此，一個重要的研究領域是開發出能夠在應用激光增材制造技術時提供物理特性得到改善的新型材料。事實上，這對擴大該技術的效用至關重要。
基于這些因素，有許多研究團隊和最終用戶希望能修改現有的系統或構建他們自己的LAM系統，從而使其能夠完全對每個工藝參數進行調研和控制，這將有助于結果的改進。
光束計量需求
雖然大多數激光增材制造系統軟件中指定的工藝參數超過100個，但一些最關鍵的工藝參數（操作者幾乎無法控制）與聚焦激光束的功率、形狀和尺寸有關，這些最終會決定創建特征的尺寸以及材料的物理特性。鑒于此，光束計量對于該過程而言就變得特別重要。
有幾個因素會造成光束變化。首先，激光輸出中可能存在固有的功率漂移。其次，PBF工藝中使用的輸出功率水平足以在光束傳輸光學器件中引起熱透鏡效應，這可能會改變光束束腰位置以及導致光斑形狀變形。此外，由于光束在寬視野下被掃描，所以在掃描場的邊緣位置，光斑形狀通常被拉長。
這些考量點直接導致在PBF系統內測量激光功率、光斑尺寸、模式細節以及光束束腰位置的需求。需指出的是，非常有必要在最終的F-theta掃描透鏡之后獲得這些測量值，而不是在光學系統中的某個中間點位獲得這些值，從而使光束能夠及早“相遇”這些可能對其產生影響的所有因素。此外，最終需要開發一種快速測量方法，以便可以在每層的寫入周期之間測量功率密度和光束束腰位置，而不會顯著減緩沉積速度。這將對激光飛行加工模式下的激光輸出做出必要的更正。
創新的光束計量解決方案
遺憾的是，用于測量激光模式、光束束腰位置和激光功率的傳統技術在本應用中的使用受到限制。具體來說，激光模式測量儀器一般是通過在離目標源較遠位置的激光束上依次掃描狹縫或孔徑來進行操作。這樣可以獲得傳播特征（模式）的全息圖像，并確定精準的光束束腰位置。然而，這種測量儀器相對來說比較緩慢，體積也大。
同樣，從傳統上看，大功率激光器的直接功率測量是使用熱電堆檢測器實現的。雖然該技術可以處理激光增材制造系統中的高平均激光功率，但是在零件制造期間，它在實現每個粉末層之間的在線監測過程中則顯得太慢（一次測量通常需要幾秒鐘）。
圖3：緊湊的波束束腰分析儀BWA-CAM（2.4×2.4×3.3in。）能夠提供幾乎瞬時的波束形狀、大小、焦距和功率測量，輕松契合大多數PBF系統的構建平臺。（圖源：賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室）
現在，Haas Laser Technologies公司開發的一個新穎系統解決了這兩個問題。該系統可以為連續波（CW）和脈沖型大功率激光器提供非常快速的波束模式和功率測量。具體來說，他們的波束束腰分析儀（BWA-CAM）能在一個快速（<1s）的測量工藝中對包括光束腰位置、光束尺寸和光束質量（M2）等在內的大功率激光器的幾個激光參數進行測量。此外，該系統非常緊湊，并且易于使用和集成（圖3）。
為了實現這一非常全面的測量，該器件采用了巧妙的光學裝置和布局（圖4），獲得了激光光斑的幾張同步、離焦圖像。進入的聚焦光首先得到衰減，隨后被引導到相對于光軸方向傾斜的一對平行板位置。平面的兩個內表面均涂有高反射涂層，使得每次反射時只有少量的光離開系統。該透射光在陣列檢測器上形成一連串斑點，每個斑點沿光軸方向，隨著距離的增加顯示出光束輪廓。可以調節該光學裝置，使得檢測器上相鄰點之間的增量代表沿光軸方向的間隔介于100μm到12mm之間。系統軟件對這一系列的光斑圖像進行分析，以得到所有上述提到的波束模式和束腰位置參數。
圖4： 在BWACAM中使用的光學布置的簡化示意圖， 以沿著光軸在多個位置同時成像光束。
最終，PBF工藝中的關鍵激光參數是粉末熔化精確點處的功率密度。一旦確定了光束尺寸，就可以使用相干的PowerMax-Pro功率檢測計在BWA-CAM內直接測量激光功率（能夠計算功率密度）。這款于2014年被引入市場的功率檢測計采用了相對較新型的橫向熱電探測器技術，將熱電堆的寬波長靈敏性、動態范圍和抗激光損傷性與半導體光電二極管的響應速度結合在一起。
這種獨特的特征在這個應用中是特別有益的。與在非常低的光照水平下飽和的光電二極管不同，檢測器可以在幾十微秒內直接測量高激光功率。這最大限度地減少了在光束路徑中衰減光學元件的需要，這可能會成為導致測量絕對誤差的原因之一。此外，與光電二極管相反，該檢測器的響應是高度線性的，并且整個功率測量系統（檢測器/電子元件/軟件）經過校準并且為NIST（美國國家標準研究所）可追蹤。因此，它提供高精度，絕對的激光功率讀數。為了優化工藝參數或分析新合金開發中激光/材料之間精確的交互作用，這一點至關重要。
檢測器的高響應速度也使其能夠直接觀察脈沖形狀，而不是簡單地報告平均功率。這點很有用，因為沉積質量（例如，晶粒尺寸，抗拉強度等）取決于峰值功率、上升時間和其它脈沖參數。而且，即使使用連續波激光器，重要的是要知道激光器在通電時達到滿功率的速度究竟有多快。
總而言之，LAM代表的是金屬制造技術領域跨出了革命性一步。但是為了發揮這一技術的最大效用和影響力，在加工成本、速度和產品質量方面都需要進行改進。不斷開發出能夠在<1s的情況下提供光束束腰位置、光束尺寸以及功率密度信息的高速、緊湊且具成本效益的光束診斷工具將是實現這些目標的關鍵因素。
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