激光3D打印基础

金属材料的增材制造（3D打印）在航空、航天、导航、车辆、模具制造、医疗设备等领域需求巨大。目前，金属增材制造过程中使用的热源包括激光束、电子束、微束等离子体和烧结热输入等三种高能束，其中激光束是金属增材生产领域应用最广泛的高能束热源。与电子束和微束等离子体热源相比，激光束具有光斑细、成本低、定向作用于指定材料位置的优点，可以实现金属材料的瞬时熔化，满足熔道搭接和零件成形的要求。

激光3D打印中使用的激光器包括光纤激光器、半导体激光器、Nd:YAG激光器和CO2激光器。不同的材料吸收不同波长的不同激光。通常，打印聚合物主要是CO2激光器，而金属粉末的3D打印主要使用光纤激光器。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）是目前应用最广泛的金属激光3D打印技术之一。选择性激光熔化（SLM）打印设备的基本结构如图所示。在打印之前，对3D模型进行分层，然后确定扫描轨迹。第一步是用抹刀将桌子刮匀，然后在上面铺上一层粉末；第二步，用激光在这层粉末上扫描特定的轨迹，使其熔化并实现一层印刷；第三步，将工作台向下移动一层，然后循环上述操作，使打印层从下到上堆叠，从而形成要打印的3D部件。为了防止氧化，整个过程包括从工作室中提取空气并用惰性气体填充。

▲ SLM打印设备的基本原理

激光3D打印对激光的需求

激光3D打印对激光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。（1） 功率和功率稳定性3D打印成型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，因此更注重激光的平均输出功率，对激光的脉冲模式不敏感，因此通常使用连续光纤激光器，并且功率大致分布在100W和1000W之间。模型越大，图层越多，打印时间越长。一般持续时间从几个小时到几十个小时不等。因此，对激光器的长期稳定工作提出了很高的要求。如果温度高，金属粉末可能会过度烧结，甚至导致其他成型零件重新熔化；温度低，金属粉末没有完全熔化，粘附性不够，并且形成的构件的形状可能无法保持。因此，激光器的功率稳定性对打印质量至关重要。（2） 光束质量和光斑尺寸光束质量和斑点尺寸反映了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，激光点越小，扫描的精度越高，打印模型的分辨率越高，并且打印部分的表面肉眼可见越精细。光束质量通常以BPP或M2为特征，M2越接近1，表明光束质量越好，激光能量越集中，对周围热量的影响越小；同时，光束质量越好，相应的发散角越小，焦斑也会相应地更小。

GW激光和 Fastform的 3D打印领域的探索

GW Laser Tech作为全球高亮度光纤激光器的领导者，随着3D打印技术的兴起，也在该应用领域积极探索，推出了500W单模10μm/14μm连续波光纤激光器，用于3D打印应用，用于医疗器械、汽车零部件、航空航天等领域。其中，10μm和14μm不同的芯径尺寸决定了光斑的尺寸，主要影响激光功率密度，即单位面积的光能，在相同功率条件下，光斑尺寸越小，激光功率密度越大，高功率密度光斑适合印刷高熔点或高反射金属粉末。

▲ GW激光器500W单模10μm光纤激光器产品优势：

➢ 超薄、轻量化设计，19英寸1.5U高度设计，重量<20kg，结构紧凑，体积小，重量轻，给人无与伦比的集成便利性和灵活的多功能性。

➢ 产品结构采用封闭式设计，大大提高了激光器在3D打印环境下的整体可靠性，IP65防护等级，可在高温、高湿、高尘等恶劣环境下继续工作。

➢ 最大功率为500W，足以形成奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、钛合金、镍基高温合金、铝合金、镁合金等常用金属材料。

➢ 功率稳定性好，每小时波动＜0.5%，保证超长打印的工艺一致性。

➢ 光束质量好，M2<1.1，单模10/14μm光纤输出，输出光斑小，打印精度高。

FastForm是一家专业从事3D打印技术和设备研发的公司，可以提供一流的快速成型服务和配套解决方案。与吉瓦激光建立了深度合作，未来将对航空航天、汽车模型、生物医药等领域的关键零部件进行3D打印测试和研究。推出FF-M140单激光产品、FF-M150教学专用型、FF-M180D双激光口腔专用型、FF-M300H 1000W大功率激光工业型、FF-M 500双激光型号、FF-M800四款激光产品，均实现量产，支持定制化本地化解决方案。独立开发的多激光切片和路径生成软件FastLayer。该设备完全自动控制，无人值守。

▲ 中声制造FF-M180D双激光金属3D打印机该产品具有以下显著优势：➢ 双向变速铺粉技术，粉料利用率高。➢ 独立软件开发，一键完成自动切片和路径规划。➢ 内置摄像头，可远程实现全自动控制，无人值守操作。➢ 设备采用一体化焊接结构，稳定性强，安装方便

▲ FASTFORM FF-M180D与GW 500W激光3D打印产品

3D打印行业现状及发展前景

目前，3D打印已经进入快速成型时代，据中商产业研究院统计，2021年机械行业在下游应用领域的占比最大，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。

在产业规模方面，根据中投公司的预测，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，其中打印设备占大多数。赛迪发布的数据显示，2020年中国3D打印设备行业规模为92.54亿元，占比最高。目前，3D打印设备的价格仍然相对较高，一方面源于外国专利和垄断，另一方面由于中国3D产业起步较晚，需求量较小，自主程度较低。随着中国高端制造业的升级和发展，技术的发展和成本的下降，未来中国3D打印行业将呈现出越来越国产化的趋势。设备制造商之间的密切合作对于推动3D打印技术的规模至关重要。广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难题。作为国内领先的3D打印设备制造商，美光速造深谙3D打印的方方面面，拥有经验丰富的顾问团队，为客户提供专业3D打印领域的高端产品。未来，广汇激光将与美国光速制造携手，推动激光3D打印技术在中国的应用和发展，助力产业升级。