陳繼民，張成宇

（1. 北京工業(yè)大學激光工程研究院，北京 100124；2. 北京市數(shù)字化醫(yī)療3D 打印研究中心，北京 100124）

基于層層堆疊的增材制造（也稱為3D 打?。┰跒樽罱K用戶實現(xiàn)可定制生產方面具有巨大潛力，因此，引起了人們的極大關注。增材制造相對于傳統(tǒng)的減材制造具有許多優(yōu)勢，可在最少的生產周期和更少的材料浪費情況下生產復雜零部件[1–4]。在增材制造中能輕松實現(xiàn)最佳零部件設計，例如實現(xiàn)具有內部冷卻通道的空心零件或模具的輕量化，可以大大節(jié)省原材料，而不會造成質量下降。此外，不使用模具的最終用途生產方式可以節(jié)省總體生產材料和能源，尤其是在飛機和汽車行業(yè)，其次是減少碳和溫室氣體排放[5]。盡管增材制造作為一種傳統(tǒng)制造的替代技術引起了人們的關注，并且已經應用于各個領域，但是仍然需要進一步的改進，以在可打印材料、打印精度和生產效率方面擴展應用范圍[6–8]。在材料沉積工藝中，能量需要有效地轉移到材料的指定位置，以使其熔化、軟化或固化，之后，重復的逐層沉積制作零件。例如，在熔融沉積成形中，熱能通過噴嘴熱傳導傳遞到打印材料，使材料流過噴嘴口到達目標位置。與其他方法相比，由于接觸區(qū)域面積有限，熱傳導速率低，以及熔融材料在噴嘴口的擠出緩慢，導致生產效率低下。為了獲得高打印分辨率和高質量表面，需要保持熔融材料的恒定擠出壓力。為了避免這些問題，可將能量直接轉移到材料的所需位置上。為此，最常用的能源就是激光，因為高強度激光束可直接作用于材料表面，而無需任何轉移介質。激光能量導致光化學反應立即使材料固化或光熱反應使材料融化或燒結[9–11]。激光產生的空間相干光與熱光源或發(fā)光二極管（LED）等非相干光源不同，激光束的傳播不會在遠距離上造成臨界光束發(fā)散或功率損耗，并且還可以聚焦到很小的直徑，可以在零件制造中達到更高的精度和效率。

激光器在增材制造領域的市場收入的份額在很大程度上受到金屬增材制造增長的推動。例如金屬增材制造在直接金屬激光燒結(DMLS)和選擇性激光熔化(SLM)機器中廣泛使用摻鐿(Yb)光纖激光器。從2015年到2020年，國內金屬增材制造業(yè)的市場收入平均年復合增長率高達30%，從2014年的1.6 億美元達到2020年7.8 億美元的市場規(guī)模[12]。因此，回顧增材制造中的激光器基礎知識對于理解基于激光的增材制造對行業(yè)增長的影響至關重要。為了解激光對增材制造技術的影響，綜述討論了用于增材制造中激光的基本原理，影響制造性能的關鍵激光參數(shù)，以及具有代表性的激光增材制造方法。首先簡要介紹了激光的基本原理，之后分析了目前用于3D 打印機的不同類型的激光器，如CO2激光器、釹釔鋁石榴石激光器（Nd ∶YAG）、鐿摻雜光纖激光器（Yb–fiber）和準分子激光器。為了更好地理解激光參數(shù)對制造的影響，深入探討了關鍵激光參數(shù)（如波長、功率或能量、脈沖持續(xù)時間和光斑尺寸）對制造性能的影響。在此基礎之上，對基于激光的增材制造方法進行了討論。

增材制造中的常用激光器

激光器通常由增益介質、泵浦能量源和光學諧振器組成。放置在光諧振器內部的增益介質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分類可分為固體激光器、氣體激光器、準分子激光器、染料激光器、光纖或半導體激光器。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用。

圖1 不同增益介質的激光器原理圖Fig.1 Laser schematics with different gain materials

圖2 CO2激光器Fig.2 CO2 laser

1 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)[13]。CO2激光器由放電管、泵浦源和若干光學器件組成，如圖2 所示。在CO2激光器中，氣態(tài)增益介質CO2充滿放電管并通過直流或交流電進行電泵浦，引起粒子數(shù)反轉，從而產生激光。CO2激光器可以產生波長為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。對于紅外波長范圍激光的傳導，光學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[14]。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，因此廣泛用于材料加工，例如切割、鉆孔、焊接和表面改性[15–16]。CO2激光器一般由兩個反射鏡和之間的電動抽氣管組成，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，以實現(xiàn)超過千瓦級別的高功率運行。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氣體的過程中產生熱量，激光結構的熱膨脹和收縮導致輸出功率相對不穩(wěn)定，氣體輔助熱擴散過程中的氣體湍流也可能引起不穩(wěn)定性[17–18]。在高功率操作中，應每2000h檢查一次整體光學器件的疲勞度。在金屬零件的制造中，由于金屬對紅外線區(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傳輸?shù)墓饫w，CO2激光器需要使用光學器件進行空間光束傳輸，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。

2 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，增益介質由閃光燈沿徑向方向進行光泵浦，或由808nm 激光二極管沿軸向泵浦，以產生1064nm 的近紅外（NIR）輸出波長[14]，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)勢之一[17]。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幾千瓦，而脈沖模式下的峰值功率則高達20kW（脈沖能量高達120 J）。

傳統(tǒng)的Nd ∶YAG 激光器通常由氙氣閃光燈進行光泵浦，電光功率轉換效率相對較低。低功率效率會導致光束質量低下，因為大部分未吸收的能量都以熱量的形式散發(fā)，光學元件的加熱會引起熱透鏡效應和雙折射效應，從而導致光束質量差[19]。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[20–21]。由于激光二極管具有更高的電光功率轉換效率以及增益介質的選擇性激發(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在參數(shù)研究工作中大量使用[22]。

圖3 Nd∶YAG激光器Fig.3 Nd∶YAG laser

圖4 Yb摻雜光纖激光器Fig.4 Yb fiber laser

3 鐿（Yb）摻雜的光纖激光器

光纖激光器是指其光纖增益介質摻有稀土的激光器。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94%），有利于高功率激光產生[23–24]，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[25]。光纖激光器由在950～980nm 波長范圍激光二極管泵浦，產生1030～1070nm 的輸出波長的近紅外激光束?；诠饫w的增益介質和光學組件的特性，帶來了包括高電光效率（～25%）、高光束質量、抗干擾性強以及系統(tǒng)緊湊性好等優(yōu)點。然而Yb 光纖激光器也存在由于光在光纖內部傳播而產生一些限制。對于固體激光器，光在空氣中傳播，空氣作為光導介質的影響較小。相反，當光通過光纖傳播時，激光受到引導介質即光纖的強烈影響，特別是在其非線性特性上，高峰值功率引起的光學非線性效應（例如自聚焦、自相位調制、克爾透鏡效應和拉曼效應）會限制激光器的性能。光纖彎曲、振動和溫度變化會導致偏振變化，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介質。

4 準分子氣體激光器

準分子激光器使用“準分子”作為增益介質，并通過脈沖放電泵浦以在紫外（UV）區(qū)域產生納秒級脈沖。準分子是激發(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）的各種準分子激光器中，ArF、KrF 和XeCl 激光器（分別產 生193、248 和308nm 波長光束）是制造中應用最多的準分子激光器[26]。準分子激光器還包括泵浦源、增益介質和光學諧振器，如圖5 所示，增益介質以與其他氣體激光器（例如CO2）相同的方式被電流泵浦。準分子激光器只能在脈沖模式下運行，產生的脈沖重復頻率僅為幾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生在制造應用中非常重要，因為大多數(shù)光學材料在紫外波長區(qū)域具有高吸收率。然而，由于光束質量相對較差，維護以及運行成本較高使得準分子激光器在增材制造中應用較少[27]。

圖5 準分子激光器Fig.5 Excimer laser

激光在增材制造應用中的關鍵參數(shù)

增材制造中的關鍵激光參數(shù)包括平均功率、功率穩(wěn)定性、中心波長、光譜帶寬、光束直徑、光束質量、脈沖能量、脈沖持續(xù)時間和重復率。由于參數(shù)的重要性因目標應用而異，對增材制造中的關鍵激光參數(shù)進行了分類，以理解它們是如何影響制造性能。在增材制造技術中，大多數(shù)關鍵的激光參數(shù)與基于熱過程的光–材料相互作用有關。本綜述將代表性的關鍵參數(shù)分成了4 個部分，即波長（工作波長）、功率（平均功率、脈沖能量和強度）、時間 （脈沖持續(xù)時間）和空間（光束質量和聚焦光斑尺寸）。盡管這些參數(shù)有所不同，但彼此密切相關，因此同一參數(shù)將在不同部分重復出現(xiàn)。

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[28]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，目標材料應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到較高的生產效率[29–30]。對于金屬粉末，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[31–32]，Sing 等[29]解釋了聚合物廣泛使用CO2激光器的原因。工作波長也與聚焦性有關，而聚焦性決定了最終的制造分辨率。由于光學衍射極限，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 平均功率、脈沖能量和強度

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度與工藝產量密切相關。首先，激光強度必須超過一定的能量閾值以使目標材料達到原位固化、燒結或熔化所需的條件[33]。對于粉末或線材形式的材料，該條件與燒結溫度或熔點有關，而對于光聚合物樹脂材料來說，強度與其固化或聚合有關。與大多數(shù)燒結或熔化溫度相對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（如二硼化鋯，熔點3245℃），因此需要極高強度的激光。此外，具有高反射率或高熱擴散率的材料如鋁或銅等，也需要高強度激光來克服溫度升高過慢的問題，若激光強度高于制造閾值，采用更高強度的激光也可以提高成形構建速率。圖7[32]為Frazier 描述的在金屬的增材制造中成形速率、功率和特征質量之間的關系?？梢钥闯?，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量將會降低。因此，應綜合考慮成形速率和特征質量，在滿足材料成形的閾值能量基礎上選擇光束功率[34]。激光束的聚焦強度不僅與平均功率成比例關系，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 光纖激光器的強度可能比CO2激光器高數(shù)百倍，這是由于聚焦光斑強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。

表1 在Nd∶YAG和CO2激光器的工作波長下，各種材料在松散粉末狀態(tài)下的吸收率Table 1 Absorptivity of various materials in a loose powder state at operating wavelength of Nd∶YAG and CO2 lasers

圖6 不同波長的光吸收率Fig.6 Light absorptivity at different wavelengths

3 脈沖寬度

激光工作模式在時域上可分為連續(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間無關；而在脈沖模式下，激光器僅在短脈沖持續(xù)時間內以固定的重復率發(fā)射輸出功率。除只能在脈沖模式下工作的準分子激光器外，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Q、鎖?；蛎}沖泵浦實現(xiàn)，脈沖模式可以產生比連續(xù)模式更高的峰值功率。脈沖持續(xù)時間為幾納秒的Nd ∶YAG 激光器可產生峰值功率為數(shù)百毫瓦的脈沖，可在毫秒的曝光時間內熔化大多數(shù)目標材料。具有高峰值功率的激光脈沖可以瞬間提高材料的溫度，同時向周圍材料的熱能傳遞耗散很小，這使得更容易達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散到周圍的材料，使得難以達到閾值能量。圖8[35]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，熔化條件、脈沖能量和脈沖持續(xù)時間之間的關系示意圖。在SLM 工藝過程中，被激光束照射的材料應在短時間內充分加熱，因此在脈沖持續(xù)時間內需要高脈沖能量來熔化金屬粉末。一般地，對于從連續(xù)波到幾十皮秒脈沖持續(xù)時間的激光，其與材料的相互作用可以通過熱擴散來解釋，并且其閾值和脈沖的時域寬度的平方根成比例關系。

圖7 在金屬增材制造中成形速率、功率和特征質量之間的關系Fig.7 Relationship of modeling rate, power and feature quality

圖8 鎳625合金熔化區(qū)脈沖能量與脈沖持續(xù)時間的關系Fig.8 Pulse energy versus pulse duration for melting region of Inconel 625

4 光束質量和聚焦光斑尺寸

光束質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。在增材制造中，通常以“光束參數(shù)乘積(BPP)” 定義光束質量。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（遠場發(fā)散角）的乘積（mm·mrad）。BPP 與功率密度密切相關，并影響制造分辨率，該因素取決于增益介質、泵浦源、諧振器結構和工作波長。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，當光束輪廓是完美的高斯形狀時，可以獲得最小BPP。M2 因子（光束質量因子）也是定義光束質量的一種更為簡單的方式，其與波長因素無關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）激光器的光束質量如圖9 所示[36]，其中的實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結構和穩(wěn)定的電泵浦方法，CO2激光器具有相對較低的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)良光束質量可以歸因于其基于光纖的傳播方式；當激光束通過光纖傳播時，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部。相比之下，準分子激光器由于其高階空間模式和高光束發(fā)散角，光束質量相對較差，此外，它的輸出光束形狀為矩形且在X軸和Y軸上具有不對稱的發(fā)散角。

基于激光的增材制造技術

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（SLA）、激光選區(qū)燒結技術（SLS）、激光選區(qū)熔化技術（SLM）和激光熔覆技術（LENS）。根據(jù)美國材料實驗協(xié)會（ASTM）“ ASTM F42–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。這些工藝利用不同類型的激光和材料沉積方法來實現(xiàn)逐層制造[37]。

1 立體光刻（SLA）

SLA 是最早的增材制造方法之一，首先由Chuck Hull 于1984年申請專利[38]。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，重復此過程，直到獲得所需的三維結構或部件為止[39–40]。紫外光是許多光化學及光聚合過程中的重要波長， SLA 工藝中的聚合反應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，然后產生自由基，自由基開始聚合反應。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。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，因為基于環(huán)氧樹脂的樹脂材料具有更好的機械性能和較小的收縮率[41]。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，將其波長轉換為355nm。

為了固化光敏樹脂，臨界激光強度（Ec）必須高于某個閾值。常用光敏樹脂的Ec值介于4.3～7.6mJ/cm2之間[41]。當高斯激光作為光源時，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，則層厚度通常會減小。掃描速度增加或光斑尺寸增大會嚴重影響Ec，進而影響樹脂的聚合。Yi[41]等研究結果如圖10 所示，主要描述了相對于不同的光斑直徑、層厚度和掃描速度之間的關系，表明可以通過控制這兩個參數(shù)來調節(jié)層厚度。大多數(shù)SLA 工藝3D 打印機使用的是紫外波段范圍內的激光器，但有時也會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 技術稱為紅外（IR）SLA[42]，IR SLA 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，用于生產具有微米分辨率的小型復雜模型。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?？墒褂酶呶招苑磻橘|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[43]。

2 選區(qū)激光燒結（SLS）

SLS 是 由Carl R. Deckard 于1980年代中期開發(fā)并獲得專利的一種增材制造工藝[44]。通過在頂部上堆疊多層燒結的粉末，可以構造復雜的零件和結構。該工藝使用高功率激光器以提供粉末燒結所需的熱能。采用光束偏轉系統(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材料的頂部，并重復該過程，直到獲得所需的三維零件為止。當溫度升高到金屬的熔點或聚合物的軟化點以上時，粉末顆粒之間就會發(fā)生燒結。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工藝。為了燒結更大尺寸的粉末顆粒，具有低熔融溫度的黏合劑材料會熔化并流入由非熔融顆粒形成的小孔中。

圖9 幾種激光器的激光參數(shù)乘積與光束質量值Fig.9 Beam parameter product and M2 values of various laser types

圖10 在SLA中相同激光功率下層厚度與不同光斑掃描速度的關系Fig.10 Layer thickness versus scanning speed of different spots under same laser power in SLA

根據(jù)材料的類型，SLS 工藝通常使用CO2和Yb 光纖激光器[45–46]。大多數(shù)SLS 機器通常使用平均功率幾十到幾百瓦的CO2激光器，因為聚合物在此工作波長下具有高吸收率，Heo[47]的研究表明CO2激光器還可以用于氧化物陶瓷和復合材料的燒結。然而，金屬粉末的激光燒結需要Nd ∶YAG 激光器或更常見的Yb 光纖激光器，它們能產生波長為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（DMLS），以區(qū)別于基于聚合物的選區(qū)燒結工藝。除金屬粉外，Nd ∶YAG 和Yb 光纖激光器還可用于燒結硬質陶瓷[48]。波長等許多激光參數(shù)也會影響SLS 打印零件的機械性能和幾何形狀，其中激光功率和掃描速度是影響燒結過程的主要參數(shù)。這兩個因素決定了粉末吸收的總能量密度，進而影響了燒結零件的質量。當吸收的能量密度太低時，燒結可能不完全，所得的燒結部件將很脆弱，難以處理，但當吸收的能量密度太高時，燒結的零件將被過量的激光能量損壞，或者零件內部會發(fā)生不均勻的熔化，從而在零件打印過程中產生不均勻性，超過材料分解能的激光能量甚至可能導致材料汽化。最佳處理參數(shù)隨SLS 中使用的目標材料的類型而變化，能量密度不同所導致的材料燒結效率變化可以通過工藝圖來表示。圖11 為采用CO2和Nd ∶YAG 激光器燒結的不銹鋼–銅合金的工藝圖[48]。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加工區(qū)域，并且隨著能量密度的增加，燒結材料的層厚度通常會增加。

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的重復過程將目標逐層構建為所需的幾何形狀。在SLM 中，相對較高功率的激光完全熔化了金屬粉末的每一層，而不是燒結粉末[47]。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，從而改善了微結構和機械性能，但同時將材料從固體轉變?yōu)橐后w時會存在不穩(wěn)定性，冷卻凝固時亦然[49]。激光參數(shù)（例如波長、重復率、脈沖持續(xù)時間和脈沖能量）會極大地影響熔化和凝固過程，因此對打印零部件的性能產生很大影響。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)，以實現(xiàn)良好的粉末結合穩(wěn)定性和零件孔隙率[50]。金屬粉末材料吸收率對試驗條件非常敏感，例如，在不同的激光功率密度下測試了鎳合金粉末相對于時間的吸收率[51]，如圖12 所示。利用波長為1.06μm 的Nd ∶YAG激光器進行了功率密度為100W/cm2和250W/cm2兩種強度下的測試，由于粉末熱物理性質的急劇變化，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達到飽和。同時，在250W/cm2的情況下，長時間加熱會引起顆粒的明顯熔化，隨后由于孔隙率的急劇降低而導致吸收率降低。

圖11 CO2和Nd∶YAG激光器燒結的不銹鋼–銅的加工工藝Fig.11 Processing window for stainless steel-Cu sintered by CO2 and Nd∶YAG laser

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，因為金屬顆粒通常在較短的光波長下具有更高的吸收率[49]。為了進一步提高銅合金的吸收率，德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）快速制造集團開發(fā)了“綠色SLM”項目[52]，采用波長在515nm 的綠光激光器，該波段激光束能夠達到更好的聚焦效果，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。改善光束質量的激光器具有更高的制造精度，例如薄盤激光器[53]，因此，當今大多數(shù)商用SLM機器都使用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，還引入了在單個打印機中使用多個激光器組合的方法，以提高SLM 的零件質量和打印速度。

4 激光熔覆沉積技術（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語[54–55]。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，整個物料分配系統(tǒng)和激光聚焦模塊都安裝在多軸機械臂上，可以沿著相同的路徑移動。由于系統(tǒng)的靈活性，LENS 還可以用于修復和修補一些設備零部件。當將激光束聚焦到焦平面上的較小點時，在深度方向（靠近焦平面）會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、激光功率和進給速度是決定熔池中沉積的厚度和體積的關鍵參數(shù)。熔池的厚度應與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[56]。

圖12 Nd∶YAG激光加工時間對Ni合金粉末吸收率的變化Fig.12 Variation of absorption of Ni-alloy metal powder with Nd∶YAG laser processing time

圖13 Fraunhofer增材制造研究中心采用新的綠光激光器所打印的銅零件Fig.13 Copper parts printed by green laser at the Fraunhofer Additive Manufacturing Research Centre

圖14 典型的LENS工藝過程示意圖Fig.14 Schematic of a typical LENS process

5 激光微納增材制造技術

近年來，超短（皮秒或飛秒）脈沖激光已經成為微米和納米粒子燒結過程中的最高效工具。研究表明，皮秒激光可以對納米粒子進行激光誘導納米焊接，飛秒激光可以以大于3×1010W/cm2的強度完全熔化銀納米顆粒（直徑3～6nm）。在傳統(tǒng)熱燒結中，銀納米顆粒密集燒結，熱燒結所需時間較長（20～60min）會對聚合物基材造成熱損傷。激光燒結等光子燒結技術可以通過光熱效應燒結金屬顆粒，但是，燒結使用脈沖持續(xù)時間為幾毫秒的光源同樣會熱損壞柔性基板。此外，強脈沖激光的廣譜波長使得難以控制光吸收。然而，Noh 等[57]將激光的脈沖寬度縮短至飛秒，并將激光的波長調整為特定的顆粒/基材系統(tǒng)可以有效避免熱損傷。

采用準分子激光進行納米粒子燒結，可以實現(xiàn)小型結構的高分辨率數(shù)字圖案化技術。與長波長激光器相比，通過聚焦受激準分子激光束可以產生較小的光斑，從而可以實現(xiàn)更高的空間分辨率。準分子激光器使用“準分子”作為增益介質，并通過脈沖放電泵浦以在紫外（UV）區(qū)域產生納秒級脈沖。雙光子聚合增材制造技術也是目前研究的熱點。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典光學衍射極限的限制，很難滿足高分辨率微納米結構的加工要求。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可以突破傳統(tǒng)光學衍射的局限，并構造具有任意形狀的納米級高分辨率三維結構[58]。

表2 商用3D打印機中所用的激光器Table 2 Lasers in various commercial 3D printers

商用增材制造設備中激光器

了解增材制造中使用的激光器類型對于理解基于激光的增材制造最新技術至關重要。表2 總結了在不同商用增材制造設備中使用的各種激光器。對于不同增材制造工藝，目前所有主流增材制造設備公司均在使用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備則多采用三倍頻的Nd ∶YVO4激光器。當然，新的技術也正在開發(fā)中，并適用于各種增材制造技術應用。目前，基于SLA 工藝的新型激光技術研發(fā)也備受關注，其中包括波長為325nm的 He–Cd 激光器和波長為364nm 的Ar 準分子激光器。而飛秒、皮秒激光器由于在3D 打印過程中可實現(xiàn)高熔點[59–60]或高熱擴散率[61]材料的加工，其開發(fā)應用也越來越多。

結論

本文對基于激光的增材制造中使用的各種類型的激光器進行了全面的綜述。對其工作原理、光學配置以及各自優(yōu)勢和局限性進行了比較分析得到如下結論：

（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，而且還因為其高性能和成本效益而成為各種基于激光的制造技術。

（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)可調性和較低的維護成本等方面特征，因此正逐漸替代Nd ∶YAG 激光器。

（3）盡管準分子激光器光束質量相對較低且成本較高，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，精度和生產效率等制造性能，必須根據(jù)目標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保持緊密聯(lián)系，可以預見，基于激光的增材制造將逐漸取代傳統(tǒng)的減材制造技術，或配合傳統(tǒng)的制造技術以改善其性能，開發(fā)傳統(tǒng)制造技術無法實現(xiàn)的新產業(yè)應用。