激光器在增材制造中的應(yīng)用

陳繼民，張成宇

（1. 北京工業(yè)大學(xué)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(chēng)為3D 打印）在為最終用戶實(shí)現(xiàn)可定制生產(chǎn)方面具有巨大潛力，因此，引起了人們的極大關(guān)注。增材制造相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造具有許多優(yōu)勢(shì)，可在最少的生產(chǎn)周期和更少的材料浪費(fèi)情況下生產(chǎn)復(fù)雜零部件[1–4]。在增材制造中能輕松實(shí)現(xiàn)最佳零部件設(shè)計(jì)，例如實(shí)現(xiàn)具有內(nèi)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(huì)造成質(zhì)量下降。此外，不使用模具的最終用途生產(chǎn)方式可以節(jié)省總體生產(chǎn)材料和能源，尤其是在飛機(jī)和汽車(chē)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(shù)引起了人們的關(guān)注，并且已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但是仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)，以在可打印材料、打印精度和生產(chǎn)效率方面擴(kuò)展應(yīng)用范圍[6–8]。在材料沉積工藝中，能量需要有效地轉(zhuǎn)移到材料的指定位置，以使其熔化、軟化或固化，之后，重復(fù)的逐層沉積制作零件。例如，在熔融沉積成形中，熱能通過(guò)噴嘴熱傳導(dǎo)傳遞到打印材料，使材料流過(guò)噴嘴口到達(dá)目標(biāo)位置。與其他方法相比，由于接觸區(qū)域面積有限，熱傳導(dǎo)速率低，以及熔融材料在噴嘴口的擠出緩慢，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。為了獲得高打印分辨率和高質(zhì)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(wèn)題，可將能量直接轉(zhuǎn)移到材料的所需位置上。為此，最常用的能源就是激光，因?yàn)楦邚?qiáng)度激光束可直接作用于材料表面，而無(wú)需任何轉(zhuǎn)移介質(zhì)。激光能量導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)立即使材料固化或光熱反應(yīng)使材料融化或燒結(jié)[9–11]。激光產(chǎn)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(huì)在遠(yuǎn)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(dá)到更高的精度和效率。

激光器在增材制造領(lǐng)域的市場(chǎng)收入的份額在很大程度上受到金屬增材制造增長(zhǎng)的推動(dòng)。例如金屬增材制造在直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)和選擇性激光熔化(SLM)機(jī)器中廣泛使用摻鐿(Yb)光纖激光器。從2015年到2020年，國(guó)內(nèi)金屬增材制造業(yè)的市場(chǎng)收入平均年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)30%，從2014年的1.6 億美元達(dá)到2020年7.8 億美元的市場(chǎng)規(guī)模[12]。因此，回顧增材制造中的激光器基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于理解基于激光的增材制造對(duì)行業(yè)增長(zhǎng)的影響至關(guān)重要。為了解激光對(duì)增材制造技術(shù)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(guān)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(jiǎn)要介紹了激光的基本原理，之后分析了目前用于3D 打印機(jī)的不同類(lèi)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(zhǔn)分子激光器。為了更好地理解激光參數(shù)對(duì)制造的影響，深入探討了關(guān)鍵激光參數(shù)（如波長(zhǎng)、功率或能量、脈沖持續(xù)時(shí)間和光斑尺寸）對(duì)制造性能的影響。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)基于激光的增材制造方法進(jìn)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(zhì)、泵浦能量源和光學(xué)諧振器組成。放置在光諧振器內(nèi)部的增益介質(zhì)使用泵浦源提供的外部能量通過(guò)受激輻射來(lái)放大光束。激光器通常按使用的增益介質(zhì)分類(lèi)可分為固體激光器、氣體激光器、準(zhǔn)分子激光器、染料激光器、光纖或半導(dǎo)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(yīng)用。

圖1 不同增益介質(zhì)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(kāi)發(fā)[13]。CO2激光器由放電管、泵浦源和若干光學(xué)器件組成，如圖2 所示。在CO2激光器中，氣態(tài)增益介質(zhì)CO2充滿放電管并通過(guò)直流或交流電進(jìn)行電泵浦，引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生激光。CO2激光器可以產(chǎn)生波長(zhǎng)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(zhǎng)。對(duì)于紅外波長(zhǎng)范圍激光的傳導(dǎo)，光學(xué)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(zhǎng)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(diǎn)，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(gè)反射鏡和之間的電動(dòng)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(shí)現(xiàn)超過(guò)千瓦級(jí)別的高功率運(yùn)行。系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性帶來(lái)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(guò)程中產(chǎn)生熱量，激光結(jié)構(gòu)的熱膨脹和收縮導(dǎo)致輸出功率相對(duì)不穩(wěn)定，氣體輔助熱擴(kuò)散過(guò)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(yīng)每2000h檢查一次整體光學(xué)器件的疲勞度。在金屬零件的制造中，由于金屬對(duì)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(zhǎng)范圍內(nèi)傳輸?shù)墓饫w，CO2激光器需要使用光學(xué)器件進(jìn)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(lèi)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(zhì)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(zhì)由閃光燈沿徑向方向進(jìn)行光泵浦，或由808nm 激光二極管沿軸向泵浦，以產(chǎn)生1064nm 的近紅外（NIR）輸出波長(zhǎng)[14]，如圖3 所示。在此工作波長(zhǎng)下，光束可以通過(guò)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(shì)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(dá)幾千瓦，而脈沖模式下的峰值功率則高達(dá)20kW（脈沖能量高達(dá)120 J）。

傳統(tǒng)的Nd ∶YAG 激光器通常由氙氣閃光燈進(jìn)行光泵浦，電光功率轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。低功率效率會(huì)導(dǎo)致光束質(zhì)量低下，因?yàn)榇蟛糠治次盏哪芰慷家詿崃康男问缴l(fā)，光學(xué)元件的加熱會(huì)引起熱透鏡效應(yīng)和雙折射效應(yīng)，從而導(dǎo)致光束質(zhì)量差[19]。閃光燈短壽命可以通過(guò)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(lái)克服[20–21]。由于激光二極管具有更高的電光功率轉(zhuǎn)換效率以及增益介質(zhì)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?cè)趨?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(zhì)摻有稀土的激光器。在光纖激光器的首次開(kāi)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(guò)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(dá)94%），有利于高功率激光產(chǎn)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(zhǎng)范圍激光二極管泵浦，產(chǎn)生1030～1070nm 的輸出波長(zhǎng)的近紅外激光束?；诠饫w的增益介質(zhì)和光學(xué)組件的特性，帶來(lái)了包括高電光效率（～25%）、高光束質(zhì)量、抗干擾性強(qiáng)以及系統(tǒng)緊湊性好等優(yōu)點(diǎn)。然而Yb 光纖激光器也存在由于光在光纖內(nèi)部傳播而產(chǎn)生一些限制。對(duì)于固體激光器，光在空氣中傳播，空氣作為光導(dǎo)介質(zhì)的影響較小。相反，當(dāng)光通過(guò)光纖傳播時(shí)，激光受到引導(dǎo)介質(zhì)即光纖的強(qiáng)烈影響，特別是在其非線性特性上，高峰值功率引起的光學(xué)非線性效應(yīng)（例如自聚焦、自相位調(diào)制、克爾透鏡效應(yīng)和拉曼效應(yīng)）會(huì)限制激光器的性能。光纖彎曲、振動(dòng)和溫度變化會(huì)導(dǎo)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(dǎo)介質(zhì)。

4 準(zhǔn)分子氣體激光器

準(zhǔn)分子激光器使用“準(zhǔn)分子”作為增益介質(zhì)，并通過(guò)脈沖放電泵浦以在紫外（UV）區(qū)域產(chǎn)生納秒級(jí)脈沖。準(zhǔn)分子是激發(fā)二聚體的簡(jiǎn)稱(chēng)，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(zhǎng)范圍為157～351nm（取決于氣體混合物）的各種準(zhǔn)分子激光器中，ArF、KrF 和XeCl 激光器（分別產(chǎn) 生193、248 和308nm 波長(zhǎng)光束）是制造中應(yīng)用最多的準(zhǔn)分子激光器[26]。準(zhǔn)分子激光器還包括泵浦源、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振器，如圖5 所示，增益介質(zhì)以與其他氣體激光器（例如CO2）相同的方式被電流泵浦。準(zhǔn)分子激光器只能在脈沖模式下運(yùn)行，產(chǎn)生的脈沖重復(fù)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(chǎn)生在制造應(yīng)用中非常重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)光學(xué)材料在紫外波長(zhǎng)區(qū)域具有高吸收率。然而，由于光束質(zhì)量相對(duì)較差，維護(hù)以及運(yùn)行成本較高使得準(zhǔn)分子激光器在增材制造中應(yīng)用較少[27]。

圖5 準(zhǔn)分子激光器Fig.5 Excimer laser

激光在增材制造應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)

增材制造中的關(guān)鍵激光參數(shù)包括平均功率、功率穩(wěn)定性、中心波長(zhǎng)、光譜帶寬、光束直徑、光束質(zhì)量、脈沖能量、脈沖持續(xù)時(shí)間和重復(fù)率。由于參數(shù)的重要性因目標(biāo)應(yīng)用而異，對(duì)增材制造中的關(guān)鍵激光參數(shù)進(jìn)行了分類(lèi)，以理解它們是如何影響制造性能。在增材制造技術(shù)中，大多數(shù)關(guān)鍵的激光參數(shù)與基于熱過(guò)程的光–材料相互作用有關(guān)。本綜述將代表性的關(guān)鍵參數(shù)分成了4 個(gè)部分，即波長(zhǎng)（工作波長(zhǎng)）、功率（平均功率、脈沖能量和強(qiáng)度）、時(shí)間 （脈沖持續(xù)時(shí)間）和空間（光束質(zhì)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(guān)，因此同一參數(shù)將在不同部分重復(fù)出現(xiàn)。

1 工作波長(zhǎng)

由于不同的材料與不同的激光波長(zhǎng)之間的相互作用，激光的工作波長(zhǎng)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(zhǎng)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(biāo)材料應(yīng)該有效地與入射激光相互作用，因此，期望在特定激光波長(zhǎng)下的高材料吸收以達(dá)到較高的生產(chǎn)效率[29–30]。對(duì)于金屬粉末，激光的波長(zhǎng)越短，其光吸收率越好。因此，在金屬打印過(guò)程中，工作波長(zhǎng)為1064nm 的Nd ∶YAG或Yb 光纖激光器比工作波長(zhǎng)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(zhǎng)也與聚焦性有關(guān)，而聚焦性決定了最終的制造分辨率。由于光學(xué)衍射極限，最小聚焦光斑尺寸與波長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)度與工藝產(chǎn)量密切相關(guān)。首先，激光強(qiáng)度必須超過(guò)一定的能量閾值以使目標(biāo)材料達(dá)到原位固化、燒結(jié)或熔化所需的條件[33]。對(duì)于粉末或線材形式的材料，該條件與燒結(jié)溫度或熔點(diǎn)有關(guān)，而對(duì)于光聚合物樹(shù)脂材料來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度與其固化或聚合有關(guān)。與大多數(shù)燒結(jié)或熔化溫度相對(duì)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(diǎn)（如二硼化鋯，熔點(diǎn)3245℃），因此需要極高強(qiáng)度的激光。此外，具有高反射率或高熱擴(kuò)散率的材料如鋁或銅等，也需要高強(qiáng)度激光來(lái)克服溫度升高過(guò)慢的問(wèn)題，若激光強(qiáng)度高于制造閾值，采用更高強(qiáng)度的激光也可以提高成形構(gòu)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(zhì)量之間的關(guān)系?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)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(zhì)量將會(huì)降低。因此，應(yīng)綜合考慮成形速率和特征質(zhì)量，在滿足材料成形的閾值能量基礎(chǔ)上選擇光束功率[34]。激光束的聚焦強(qiáng)度不僅與平均功率成比例關(guān)系，還與最終由工作波長(zhǎng)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(qiáng)度可能比CO2激光器高數(shù)百倍，這是由于聚焦光斑強(qiáng)度與激光波長(zhǎng)的平方成反比，Yb 光纖激光器的波長(zhǎng)更短、光束質(zhì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(shí)間無(wú)關(guān)；而在脈沖模式下，激光器僅在短脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)以固定的重復(fù)率發(fā)射輸出功率。除只能在脈沖模式下工作的準(zhǔn)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(guò)調(diào)Q、鎖?；蛎}沖泵浦實(shí)現(xiàn)，脈沖模式可以產(chǎn)生比連續(xù)模式更高的峰值功率。脈沖持續(xù)時(shí)間為幾納秒的Nd ∶YAG 激光器可產(chǎn)生峰值功率為數(shù)百毫瓦的脈沖，可在毫秒的曝光時(shí)間內(nèi)熔化大多數(shù)目標(biāo)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(shí)向周?chē)牧系臒崮軅鬟f耗散很小，這使得更容易達(dá)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(kuò)散到周?chē)牟牧?，使得難以達(dá)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(shí)，熔化條件、脈沖能量和脈沖持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系示意圖。在SLM 工藝過(guò)程中，被激光束照射的材料應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)充分加熱，因此在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)需要高脈沖能量來(lái)熔化金屬粉末。一般地，對(duì)于從連續(xù)波到幾十皮秒脈沖持續(xù)時(shí)間的激光，其與材料的相互作用可以通過(guò)熱擴(kuò)散來(lái)解釋?zhuān)⑶移溟撝岛兔}沖的時(shí)域?qū)挾鹊钠椒礁杀壤P(guān)系。

圖7 在金屬增材制造中成形速率、功率和特征質(zhì)量之間的關(guān)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(shí)間的關(guān)系Fig.8 Pulse energy versus pulse duration for melting region of Inconel 625

4 光束質(zhì)量和聚焦光斑尺寸

光束質(zhì)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(nèi)。在增材制造中，通常以“光束參數(shù)乘積(BPP)” 定義光束質(zhì)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(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角）的乘積（mm·mrad）。BPP 與功率密度密切相關(guān)，并影響制造分辨率，該因素取決于增益介質(zhì)、泵浦源、諧振器結(jié)構(gòu)和工作波長(zhǎng)。特別是工作波長(zhǎng)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(dāng)光束輪廓是完美的高斯形狀時(shí)，可以獲得最小BPP。M2 因子（光束質(zhì)量因子）也是定義光束質(zhì)量的一種更為簡(jiǎn)單的方式，其與波長(zhǎng)因素?zé)o關(guān)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(zhì)量如圖9 所示[36]，其中的實(shí)線表明由工作波長(zhǎng)下的衍射極限所確定的BPP 和M2 因子之間的關(guān)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(jiǎn)單的光學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的電泵浦方法，CO2激光器具有相對(duì)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(zhì)量可以歸因于其基于光纖的傳播方式；當(dāng)激光束通過(guò)光纖傳播時(shí)，由于光纖有限的模場(chǎng)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(nèi)部。相比之下，準(zhǔn)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(zhì)量相對(duì)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(duì)稱(chēng)的發(fā)散角。

基于激光的增材制造技術(shù)

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(shù)（SLA）、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）、激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）和激光熔覆技術(shù)（LENS）。根據(jù)美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）“ ASTM F42–增材制造”的分類(lèi)定義，SLA 歸類(lèi)為光聚合工藝； SLS 和SLM 歸類(lèi)為粉床工藝； LENS 歸類(lèi)為有向能量沉積工藝。這些工藝?yán)貌煌?lèi)型的激光和材料沉積方法來(lái)實(shí)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(qǐng)專(zhuān)利[38]。SLA 是一種通過(guò)將紫外（UV）激光聚焦在光敏聚合物樹(shù)脂槽上而進(jìn)行選擇性光聚合的工藝。激光束在要固化的樹(shù)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(shù)脂在前一層的頂部固化，重復(fù)此過(guò)程，直到獲得所需的三維結(jié)構(gòu)或部件為止[39–40]。紫外光是許多光化學(xué)及光聚合過(guò)程中的重要波長(zhǎng)， SLA 工藝中的聚合反應(yīng)一般為基于自由基或陽(yáng)離子，在自由基聚合中，光引發(fā)劑吸收入射的光子，然后產(chǎn)生自由基，自由基開(kāi)始聚合反應(yīng)。因此，為了獲得更高的效率，激光源的工作波長(zhǎng)必須與光引發(fā)劑的高吸收波長(zhǎng)范圍相匹配，通常在紫外波長(zhǎng)范圍內(nèi)。早期SLA 工藝所用商業(yè)化的樹(shù)脂主要是丙烯酸基，目前使用的新型樹(shù)脂主要是基于環(huán)氧樹(shù)脂，因?yàn)榛诃h(huán)氧樹(shù)脂的樹(shù)脂材料具有更好的機(jī)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(zhǎng)為1064nm 的固態(tài)激光器，然后通過(guò)3 次諧波過(guò)程，將其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為355nm。

為了固化光敏樹(shù)脂，臨界激光強(qiáng)度（Ec）必須高于某個(gè)閾值。常用光敏樹(shù)脂的Ec值介于4.3～7.6mJ/cm2之間[41]。當(dāng)高斯激光作為光源時(shí)，樹(shù)脂的固化線類(lèi)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(huì)減小。掃描速度增加或光斑尺寸增大會(huì)嚴(yán)重影響Ec，進(jìn)而影響樹(shù)脂的聚合。Yi[41]等研究結(jié)果如圖10 所示，主要描述了相對(duì)于不同的光斑直徑、層厚度和掃描速度之間的關(guān)系，表明可以通過(guò)控制這兩個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)層厚度。大多數(shù)SLA 工藝3D 打印機(jī)使用的是紫外波段范圍內(nèi)的激光器，但有時(shí)也會(huì)使用紫外范圍以外的其他波長(zhǎng)。采用紅外激光作為能源的SLA 技術(shù)稱(chēng)為紅外（IR）SLA[42]，IR SLA 利用熱引發(fā)的過(guò)程代替了通常的紫外激光引發(fā)的聚合過(guò)程，通常以CO2激光為熱敏樹(shù)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(lái)的技術(shù)，用于生產(chǎn)具有微米分辨率的小型復(fù)雜模型。μSL與傳統(tǒng)光固化增材制造工藝類(lèi)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(shù)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?yīng)介質(zhì)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(jié)（SLS）

SLS 是 由Carl R. Deckard 于1980年代中期開(kāi)發(fā)并獲得專(zhuān)利的一種增材制造工藝[44]。通過(guò)在頂部上堆疊多層燒結(jié)的粉末，可以構(gòu)造復(fù)雜的零件和結(jié)構(gòu)。該工藝使用高功率激光器以提供粉末燒結(jié)所需的熱能。采用光束偏轉(zhuǎn)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(jié)材料的頂部，并重復(fù)該過(guò)程，直到獲得所需的三維零件為止。當(dāng)溫度升高到金屬的熔點(diǎn)或聚合物的軟化點(diǎn)以上時(shí)，粉末顆粒之間就會(huì)發(fā)生燒結(jié)。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(jié)工藝。為了燒結(jié)更大尺寸的粉末顆粒，具有低熔融溫度的黏合劑材料會(huì)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(zhì)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(guān)系Fig.10 Layer thickness versus scanning speed of different spots under same laser power in SLA

根據(jù)材料的類(lèi)型，SLS 工藝通常使用CO2和Yb 光纖激光器[45–46]。大多數(shù)SLS 機(jī)器通常使用平均功率幾十到幾百瓦的CO2激光器，因?yàn)榫酆衔镌诖斯ぷ鞑ㄩL(zhǎng)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(fù)合材料的燒結(jié)。然而，金屬粉末的激光燒結(jié)需要Nd ∶YAG 激光器或更常見(jiàn)的Yb 光纖激光器，它們能產(chǎn)生波長(zhǎng)為1064nm 的激光束，該波長(zhǎng)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(chēng)為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），以區(qū)別于基于聚合物的選區(qū)燒結(jié)工藝。除金屬粉外，Nd ∶YAG 和Yb 光纖激光器還可用于燒結(jié)硬質(zhì)陶瓷[48]。波長(zhǎng)等許多激光參數(shù)也會(huì)影響SLS 打印零件的機(jī)械性能和幾何形狀，其中激光功率和掃描速度是影響燒結(jié)過(guò)程的主要參數(shù)。這兩個(gè)因素決定了粉末吸收的總能量密度，進(jìn)而影響了燒結(jié)零件的質(zhì)量。當(dāng)吸收的能量密度太低時(shí)，燒結(jié)可能不完全，所得的燒結(jié)部件將很脆弱，難以處理，但當(dāng)吸收的能量密度太高時(shí)，燒結(jié)的零件將被過(guò)量的激光能量損壞，或者零件內(nèi)部會(huì)發(fā)生不均勻的熔化，從而在零件打印過(guò)程中產(chǎn)生不均勻性，超過(guò)材料分解能的激光能量甚至可能導(dǎo)致材料汽化。最佳處理參數(shù)隨SLS 中使用的目標(biāo)材料的類(lèi)型而變化，能量密度不同所導(dǎo)致的材料燒結(jié)效率變化可以通過(guò)工藝圖來(lái)表示。圖11 為采用CO2和Nd ∶YAG 激光器燒結(jié)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(zhǎng)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(jié)加工區(qū)域，并且隨著能量密度的增加，燒結(jié)材料的層厚度通常會(huì)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(guò)程，與SLS相似，激光加工和粉末鋪設(shè)的重復(fù)過(guò)程將目標(biāo)逐層構(gòu)建為所需的幾何形狀。在SLM 中，相對(duì)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(jié)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(lèi)似，SLM 工藝通過(guò)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(jié)合過(guò)程，SLM 過(guò)程主要是粉末顆粒的完全熔化和固化，從而改善了微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，但同時(shí)將材料從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w時(shí)會(huì)存在不穩(wěn)定性，冷卻凝固時(shí)亦然[49]。激光參數(shù)（例如波長(zhǎng)、重復(fù)率、脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖能量）會(huì)極大地影響熔化和凝固過(guò)程，因此對(duì)打印零部件的性能產(chǎn)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(lái)優(yōu)化激光參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)良好的粉末結(jié)合穩(wěn)定性和零件孔隙率[50]。金屬粉末材料吸收率對(duì)試驗(yàn)條件非常敏感，例如，在不同的激光功率密度下測(cè)試了鎳合金粉末相對(duì)于時(shí)間的吸收率[51]，如圖12 所示。利用波長(zhǎng)為1.06μm 的Nd ∶YAG激光器進(jìn)行了功率密度為100W/cm2和250W/cm2兩種強(qiáng)度下的測(cè)試，由于粉末熱物理性質(zhì)的急劇變化，吸收率迅速提高。在100W/cm2的溫度下，通過(guò)表面熔化燒結(jié)粉末，并在加工過(guò)程中重新排列顆粒，因此吸收率在熱平衡點(diǎn)達(dá)到飽和。同時(shí)，在250W/cm2的情況下，長(zhǎng)時(shí)間加熱會(huì)引起顆粒的明顯熔化，隨后由于孔隙率的急劇降低而導(dǎo)致吸收率降低。

圖11 CO2和Nd∶YAG激光器燒結(jié)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(zhǎng)比CO2激光波長(zhǎng)更短的Nd ∶YAG和Yb 光纖激光器，因?yàn)榻饘兕w粒通常在較短的光波長(zhǎng)下具有更高的吸收率[49]。為了進(jìn)一步提高銅合金的吸收率，德國(guó)弗勞恩霍夫（Fraunhofer）快速制造集團(tuán)開(kāi)發(fā)了“綠色SLM”項(xiàng)目[52]，采用波長(zhǎng)在515nm 的綠光激光器，該波段激光束能夠達(dá)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(zhì)量的激光器具有更高的制造精度，例如薄盤(pán)激光器[53]，因此，當(dāng)今大多數(shù)商用SLM機(jī)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(gè)打印機(jī)中使用多個(gè)激光器組合的方法，以提高SLM 的零件質(zhì)量和打印速度。

4 激光熔覆沉積技術(shù)（LENS）

LENS 也是增材制造工藝之一，根據(jù)ASTM 歸類(lèi)為定向能沉積，有時(shí)也稱(chēng)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(shù)語(yǔ)[54–55]。圖14 為典型的LENS 工藝示意圖。在LENS 中，打印材料通過(guò)噴嘴以粉末或金屬絲的形式以受控的速率通過(guò)噴嘴分配到高功率激光束聚焦的熔池中。通常，整個(gè)物料分配系統(tǒng)和激光聚焦模塊都安裝在多軸機(jī)械臂上，可以沿著相同的路徑移動(dòng)。由于系統(tǒng)的靈活性，LENS 還可以用于修復(fù)和修補(bǔ)一些設(shè)備零部件。當(dāng)將激光束聚焦到焦平面上的較小點(diǎn)時(shí)，在深度方向（靠近焦平面）會(huì)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(jìn)給速度是決定熔池中沉積的厚度和體積的關(guān)鍵參數(shù)。熔池的厚度應(yīng)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(shí)間對(duì)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(guò)程示意圖Fig.14 Schematic of a typical LENS process

5 激光微納增材制造技術(shù)

近年來(lái)，超短（皮秒或飛秒）脈沖激光已經(jīng)成為微米和納米粒子燒結(jié)過(guò)程中的最高效工具。研究表明，皮秒激光可以對(duì)納米粒子進(jìn)行激光誘導(dǎo)納米焊接，飛秒激光可以以大于3×1010W/cm2的強(qiáng)度完全熔化銀納米顆粒（直徑3～6nm）。在傳統(tǒng)熱燒結(jié)中，銀納米顆粒密集燒結(jié)，熱燒結(jié)所需時(shí)間較長(zhǎng)（20～60min）會(huì)對(duì)聚合物基材造成熱損傷。激光燒結(jié)等光子燒結(jié)技術(shù)可以通過(guò)光熱效應(yīng)燒結(jié)金屬顆粒，但是，燒結(jié)使用脈沖持續(xù)時(shí)間為幾毫秒的光源同樣會(huì)熱損壞柔性基板。此外，強(qiáng)脈沖激光的廣譜波長(zhǎng)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(zhǎng)調(diào)整為特定的顆粒/基材系統(tǒng)可以有效避免熱損傷。

采用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行納米粒子燒結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)小型結(jié)構(gòu)的高分辨率數(shù)字圖案化技術(shù)。與長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器相比，通過(guò)聚焦受激準(zhǔn)分子激光束可以產(chǎn)生較小的光斑，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。準(zhǔn)分子激光器使用“準(zhǔn)分子”作為增益介質(zhì)，并通過(guò)脈沖放電泵浦以在紫外（UV）區(qū)域產(chǎn)生納秒級(jí)脈沖。雙光子聚合增材制造技術(shù)也是目前研究的熱點(diǎn)。SLA 是使用紫外線激光的單光子聚合過(guò)程， 它的加工分辨率受到經(jīng)典光學(xué)衍射極限的限制，很難滿足高分辨率微納米結(jié)構(gòu)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(shù)可以突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射的局限，并構(gòu)造具有任意形狀的納米級(jí)高分辨率三維結(jié)構(gòu)[58]。

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

商用增材制造設(shè)備中激光器

了解增材制造中使用的激光器類(lèi)型對(duì)于理解基于激光的增材制造最新技術(shù)至關(guān)重要。表2 總結(jié)了在不同商用增材制造設(shè)備中使用的各種激光器。對(duì)于不同增材制造工藝，目前所有主流增材制造設(shè)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(shù)脂工藝設(shè)備則多采用三倍頻的Nd ∶YVO4激光器。當(dāng)然，新的技術(shù)也正在開(kāi)發(fā)中，并適用于各種增材制造技術(shù)應(yīng)用。目前，基于SLA 工藝的新型激光技術(shù)研發(fā)也備受關(guān)注，其中包括波長(zhǎng)為325nm的 He–Cd 激光器和波長(zhǎng)為364nm 的Ar 準(zhǔn)分子激光器。而飛秒、皮秒激光器由于在3D 打印過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)[59–60]或高熱擴(kuò)散率[61]材料的加工，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用也越來(lái)越多。

結(jié)論

本文對(duì)基于激光的增材制造中使用的各種類(lèi)型的激光器進(jìn)行了全面的綜述。對(duì)其工作原理、光學(xué)配置以及各自優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行了比較分析得到如下結(jié)論：

（1）長(zhǎng)期以來(lái)CO2和Nd ∶YAG 激光器不僅是增材制造的工業(yè)力量，而且還因?yàn)槠涓咝阅芎统杀拘б娑蔀楦鞣N基于激光的制造技術(shù)。

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

（3）盡管準(zhǔn)分子激光器光束質(zhì)量相對(duì)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(chǎn)效率等制造性能，必須根據(jù)目標(biāo)性能選擇用于增材制造的激光源。

未來(lái)，增材制造將與激光技術(shù)保持緊密聯(lián)系，可以預(yù)見(jiàn)，基于激光的增材制造將逐漸取代傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)，或配合傳統(tǒng)的制造技術(shù)以改善其性能，開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。