燕山大学的械工程学院塑形工程系董国疆教授和他的团队发表了光束整形技术在金属激光增材制造中的应用综述。综述以“Beam shaping technology and its application in metal laser additive manufacturing: A review”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

激光增材制造(AM)技术具有制造精度高、灵活性强、自动化程度高等优点，被广泛应用于汽车、医疗、航空航天等领域关键部件(如火箭燃料喷嘴、卫星天线支架和人体植入物等)的制造。该技术通过对材料结构和性能的集成制造，可大大提高打印部件的组合性能。目前，激光 AM 技术一般采用聚焦高斯光束，其能量分布为中心高、边缘低。然而，这种方法往往会在熔池中产生较高的热梯度，导致随后产生气孔孔隙和粗晶粒。作为解决这一问题的新方法，光束整形技术可通过调节激光束能量的分布来提高打印效率和质量。

图 1. 两种金属打印工艺示意图：(a) LPBF;(b) DED

图 2. 整形光束在激光 AM 技术中的应用

图 3. 飞溅和锁孔缺陷的形成机理

图 4. 微透镜阵列整形原理

图 5. 熔池中主要物理现象示意图

图 6. 椭圆激光束的能量分布和熔池状态

图 7. 椭圆激光束对晶粒结构的影响

图 8. 高斯光束 (a) 和平顶光束 (b) 的强度模式;高斯光束 (c) 和平顶光束 (d) 的 CCD相机图像;高斯激光束 (e) 和平顶激光束 (f) 的横截面温度场

图 9. 平顶光束和高斯光束样品的表面形态和晶粒分布

图 10. 样品在高斯光束和贝塞尔光束下的打印质量和性能比较

图 11. 光束轮廓

图 12. 不同工艺参数下高斯光束和反高斯光束打印样品的比较

图 13. 平顶光束(a)和高斯光束(b)下的反极点图(IPF);平顶光束(c)和高斯光束(d)下的晶界取向图

本文系统回顾了光束整形技术在两种主流金属激光AM工艺(激光粉末床熔融(LPBF)和定向能沉积(DED))中的应用，包括不同形状光束的能量分布、熔池形态和零件质量。不同形状光束对零件质量的影响主要取决于它们对熔池形态和内部动力学的影响。为促进光束整形技术在金属激光 AM 领域的应用，有必要对整形光束的能量输入稳定性进行充分控制。此外，如何实现多形状光束和动态光束整形的金属激光 AM 也对金属激光 AM 技术的未来发展至关重要。