金屬材料的增材制造（3D打印）工藝在航空、航天、航海、車輛、模具制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的需求巨大。目前，應用于金屬增材制造工藝的熱源有激光束、電子束、微束等離子三大高能束及燒結(jié)熱輸入等，其中的激光束是金屬增材制造領(lǐng)域應用最廣泛的高能束熱源。與電子束、微束等離子熱源相比，激光束具有光斑細、成本低、可定向作用到指定材料位置等優(yōu)點，可實現(xiàn)金屬材料的瞬間熔凝，滿足熔道搭接和零件成形的要求。

 激光3D打印基本原理

激光3D打印使用的激光器有光纖激光器、半導體激光器、Nd:YAG激光器和CO2激光器。不同材料對不同波長的激光吸收不同。通常，打印聚合物以CO2激光器為主，而金屬粉末的3D打印主要使用光纖激光器。

根據(jù)加工方式的不同，激光增材制造可分為選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光熔化、直接金屬激光燒結(jié)、激光粉末沉積、直接金屬沉積等等。其中，選擇性激光熔化（SLM）是目前使用最廣泛的金屬激光3D打印技術(shù)之一。

選擇性激光熔化（SLM）打印設備的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。打印之前，要先對3D模型進行分層處理，然后確定掃描軌跡。第一步，用刮刀均勻地刮過工作臺，在上面鋪一層粉末；第二步，用激光在這層粉末上掃描特定軌跡讓其熔化，實現(xiàn)一層的打印；第三步，將工作臺往下移動一層，然后循環(huán)上述操作，使打印層從下往上堆疊起來，這樣就形成了所要打印的3D零件。為了防止氧化，整個過程要對工作艙抽除空氣并充入惰性氣體。

▲ SLM打印設備基本原理

激光3D打印對激光器的需求 

激光3D打印對激光器的需求主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是功率與功率穩(wěn)定性，另一方面是光束質(zhì)量及光斑大小。

功率與功率穩(wěn)定性

3D打印成形過程主要靠的是激光的熱效應，激光強度必須超過一定的能量閾值才能使材料熔化，因此更關(guān)注激光器平均輸出功率，對于激光器的脈沖模式不敏感，因此通常使用連續(xù)光纖激光器，功率大致分布在100W~1000W之間。

模型越大，層數(shù)越多，打印時間越長。一般持續(xù)時間在幾個小時到幾十個小時。所以，對于激光器長時間穩(wěn)定運行提出了很高的要求。如果溫度偏高，金屬粉末可能會過燒、甚至會導致其他已成形的部分重熔；溫度偏低，金屬粉末熔化不徹底，粘合力不夠，成形構(gòu)件形狀就可能保持不住。因此，激光器的功率穩(wěn)定性對于打印質(zhì)量至關(guān)重要。

光束質(zhì)量及光斑大小

光束質(zhì)量和光斑大小體現(xiàn)打印精度的關(guān)鍵參數(shù)之一。3D打印是通過激光束掃描成形的，激光的光斑越小，掃描的精度就越高，打印出來的模型分辨率就越高，肉眼可見的就是打印件表面越細膩。

光束質(zhì)量通常以BPP或M2來表征，M2越接近1，表明光束質(zhì)量越好，激光能量越集中，對周圍的熱影響越小；同時，光束質(zhì)量越好，對應的發(fā)散角度越小，聚焦出來的光斑也會相應更小。

光惠激光與美光速造在3D打印領(lǐng)域的探索

光惠激光（GW Laser Tech）作為全球高亮度光纖激光器領(lǐng)先者，隨著3D打印技術(shù)的興起，也在這一應用領(lǐng)域積極探索，推出了針對3D打印應用的500W單模10μm/14μm連續(xù)光纖激光器，面向醫(yī)療器械、汽車零部件、航空航天等領(lǐng)域。

其中，10μm和14μm不同芯徑大小決定了光斑大小，主要影響激光功率密度，即單位面積的光能量大小，同等功率條件下，光斑尺寸越小，激光功率密度越大，高功率密度光斑適宜打印高熔點或者高反射的金屬粉末。

▲ 光惠激光500W單模10μm光纖激光器

產(chǎn)品優(yōu)勢：

➢ 超薄、輕量化設計，19寸1.5U高度設計，重量＜20kg，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，賦予無與倫比的集成便利性和靈活多用性。

➢ 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用密閉設計，針對3D打印使用環(huán)境，大幅度提高激光器整體的可靠性，IP65防護等級，可持續(xù)在高溫、高濕、高粉塵等惡劣環(huán)境中運行。

➢ 最大功率500W，足可以成形奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鈦合金、鎳基高溫合金、鋁合金、鎂合金等常用金屬材料。

➢ 功率穩(wěn)定性好，每小時波動＜0.5%，保證超長時間打印的工藝一致性。

➢ 光束質(zhì)量好，M2<1.1，單模10/14μm光纖輸出，輸出光斑小，打印精度高。

美光速造（FastForm）是一家專門研究與開發(fā)3D打印技術(shù)及裝備的企業(yè)，能夠提供頂尖的快速成型服務與配套解決方案�，F(xiàn)已與光惠激光建立了深入合作，未來將在航空航天、汽車模型、生物醫(yī)療等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件進行3D打印試驗及研究。推出FF-M140單激光產(chǎn)品，F(xiàn)F-M150教學專用機型，F(xiàn)F-M180D雙激光口腔專用機型，F(xiàn)F-M300H 1000W高功率激光工業(yè)機型，F(xiàn)F-M500雙激光機型，F(xiàn)F-M800四激光產(chǎn)品，并全部實現(xiàn)批量生產(chǎn)，支持定制國產(chǎn)化方案。自主開發(fā)多激光切片和路徑生成軟件FastLayer。設備完全實現(xiàn)全自動控制，無人值守操作。

▲ 美光速造FF-M180D雙激光金屬3D打印機

該產(chǎn)品具有如下顯著優(yōu)勢：

➢ 雙向及變速鋪粉技術(shù)，粉末利用率高。

➢ 自主開發(fā)軟件，一鍵完成自動切片與路徑規(guī)劃。

➢ 自帶攝像頭，可遠程實現(xiàn)全自動控制、無人值守操作。

➢ 設備采用一體化焊接結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性強，安裝方便

▲ 美光速造FF-M180D配合光惠500W激光器3D打印產(chǎn)品

 3D打印產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

目前，3D打印已經(jīng)進入了快速成型的時代，根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年下游應用領(lǐng)域中機械行業(yè)占比最多，達17.5%，其次為消費電子（16.6%）和汽車（16.1%）。隨著消費電子和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，未來3D打印在這兩個領(lǐng)域中的應用領(lǐng)域?qū)⑦M一步擴大。

在產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面，按照中投網(wǎng)的預計：2021-2025年3D打印的年均復合增長率約為26.59%，2025年將達到701億元。

3D打印涵蓋設備、材料以及服務三個方面，其中打印設備占大頭。根據(jù)CCID發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年中國3D打印設備產(chǎn)業(yè)規(guī)模92.54億元，占比最高。

目前3D打印設備的價格還相對較高，一方面源于國外的專利和壟斷，另一方面是因為我國3D產(chǎn)業(yè)起步晚，需求量少，自主化程度低。隨著我國高端制造業(yè)的升級發(fā)展、技術(shù)的發(fā)展和成本的下降，未來我國3D打印行業(yè)將會呈現(xiàn)國產(chǎn)化程度越來越高的趨勢。設備制造商之間的緊密合作對推動3D打印技術(shù)的規(guī)模化發(fā)展至關(guān)重要。

光惠激光不僅專注激光產(chǎn)品技術(shù)的研究和創(chuàng)新，同時在激光加工工藝領(lǐng)域不斷探索，并致力于幫助客戶解決應用上的難題。美光速造作為一家國內(nèi)領(lǐng)先的3D打印設備廠商，熟悉3D打印的各個環(huán)節(jié)，同時具有經(jīng)驗豐富的咨詢顧問團隊，為客戶提供專業(yè)的3D打印領(lǐng)域的高端產(chǎn)品。未來，光惠激光將攜手美光速造一起推動激光3D打印技術(shù)在國內(nèi)的應用和發(fā)展，助力產(chǎn)業(yè)升級。

（文章轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除）