增材制造：蓝光激光器提升金属3D打印的速度、质量和效率

目前正在开发的蓝光激光技术，有望在金属3D打印中，实现更快的打印速度、更高的打印分辨率和更好的打印质量。

图1：金属的基本物理属性决定了其吸收电磁辐射的能力。数十种工业应用中重要的金属对蓝光的吸收能力比红外光强得多，尤其是铜，其对蓝光的吸收能力是红外光的13倍。

五年前，第一台商用蓝光工业激光器的问世，改变了材料加工应用。由于所有金属对蓝光的吸收能力都比对红外光的吸收强得多，特别是铜、铝和金，它们对红外光的反射率很高，所以蓝光工业激光器很快就受到了市场的青睐。这种基本的物理特性直接提高了金属加工应用的性能。蓝光激光的应用，首先影响了焊接领域。通过增强光吸收提高了焊接速度和焊接质量。由于金属对蓝光优异的吸收能力，目前，蓝光正被引入增材制造领域。

增材制造最初是用塑料、聚合物打印原型件。虽然这些打印的原型件有助于检查部件的外形、匹配性和功能，但打印材料的有限性限制了增材制造的应用范围。只有将增材制造技术扩展到金属件的制造中，其应用才能得到进一步扩展。现在，蓝光工业激光器已经可以集成到激光金属3D打印机中，如基于直接能量沉积（DED）和粉末床熔融（PBF）技术的3D打印设备。

增材制造面临着众多挑战，而蓝光激光器为克服这些挑战应运而生。例如，蓝光3D打印的打印速度、效率和质量为大规模生产提供了可能性。激光技术和增材制造工艺的进步，都将促进增材制造的进一步发展，并实现新的应用。

基本原理

金属原子的电子结构，决定了它们与电磁辐射相互作用的原理。对于反射率很高的金属，如铜、铝、金等，它们固有的原子结构使其对红外光的吸收能力非常弱。因此，红外光辐照时，较低的功率密度只是被金属表面反射掉；而只有当功率密度非常高的时候，金属才能吸收一部分能量。

然而，随着功率密度的增加，光束照射会在工件上形成孔洞；红外光在孔洞边沿多次反射，会导致金属对能量的吸收大幅增加。这时，能量吸收过高又导致了不可控的情况：吸收的增加会引起剧烈的汽化，这将产生空洞和飞溅，最终导致焊接质量变差。相反，如图1所示，这些金属对蓝光的吸收性能非常好。因此，用蓝光熔化反射率很高的金属，相对平稳且可控。

对于焊接而言，其目标是产生一个坚固的机械连接（有时是电气连接），其特点是焊缝要均匀、连续平滑。蓝光激光可以精确调控加工速度、光斑大小、光束能量等参数，因此可以实现高质量焊接。此外，蓝光激光还可以实现不同金属、不同厚度以及不同几何形状的工件之间的焊接。相比之下，使用红外激光工艺参数的窗口非常窄，这不仅限制了生产效率，而且也不能实现高质量焊接。

金属增材制造在本质上是小范围的连续焊接，金属粉末相当于焊料。金属粉末吸收激光能量后熔化，使其与相邻材料相连。激光增材制造之所以具有吸引力，是因为激光在众多应用中具有独特的优势：激光可以灵活地、无接触地将能量传输到精确的位置。直接能量沉积技术和粉末床熔融技术，提供了两种不同的给料方式。例如，直接能量沉积技术，直接将原料导向激光打印头；而粉末床熔融技术，则在粉末床上铺上均匀的粉末材料，激光在其上以特定的模式移动，逐层融化粉末。

与焊接一样，铜、金、铝合金等高反射金属，为红外激光增材制造带来了两个挑战。第一个挑战是，当用高强度红外激光熔化金属粉末时，较小的粉末颗粒大量被汽化，这就需要控制汽化颗粒的再沉积。第二个挑战是，如果使用环形激光，在激光作用之前粉末预热会浪费大量能量。

蓝光可以被大多数金属吸收，因此可以用较低能量的蓝光激光实现可控的熔池，并将汽化降到最低。这为多激光系统的扩展提供了一种手段，而不必求助于复杂的气流管理。因此，蓝光的打印件密度更高，打印速度更快，并能通过多个并行激光提高打印速度。如图2所示，与红外激光相比，打印相同密度的金属件，蓝光激光的效率更高。

图2：与红外激光相比，蓝光激光增材制造能以较低的能量密度，打印更高密度的金属件。

尽管基础物理学为蓝光激光在材料加工应用中取得成功提供了一个必要因素，但实现这一前景还需要工程实践。当DED和PBF采用蓝光打印时，在没有后处理优化的情况下，打印的铜块密度大于97%，并且具有良好的表面质量和尺寸精度。而打印的不锈钢测试片的最小密度高达98%。因此相比于红外激光，蓝光增材制造优势明显。

图3对比了蓝光相对于红外光在增材制造打印性能上的改进。打印效率的关键指标（本质上是衡量每瓦的打印速度）表明，蓝光比红外光要提高1.4倍到7倍以上。这些优势在不锈钢、钛、铜和铬铜合金中也是一致的，这也表明蓝光能进一步拓展到其他更多的应用领域。

图3：多种工业级重要金属对蓝光的吸收率，比对红外光的吸收率更高，这使得蓝光增材制造能够实现更高的打印速度。

具体来说，红外激光打印高反射材料如金、铜或铝时，速度比较慢，并且打印质量较低。蓝光激光不仅在珠宝、牙科和医疗植入器件等领域得到应用，而且也可以用于金属增材制造，用来打印用于航空航天和电动汽车所需要的黄金或纯铜部件。例如，图4显示了一个典型的3D打印件——火箭发动机喷管的缩比件，其中包括了复杂的内部冷却流道。更高的打印速度和更好的气流管理，将使3D打印更加大众化，用于批量生产，并推动3D打印的广泛应用。

图4：3D打印的喷气发动机喷嘴，展示了蓝光激光打印精细结构（包括内部冷却流道）的能力。

当前的能力和未来的可能性

自2017年问世以来，蓝光工业激光器的规格迅速提高。激光功率和亮度等关键指标的提升，扩大了其应用范围。早期的蓝光激光器用于电池制造，可以将几十个薄箔焊接在一起，并且机械强度和电信号保真度都非常高，展示了其优异的加工性能。

在早期成功应用的基础上，随着蓝光激光器的输出功率进一步提高，（超过了500W，然后实现了1kW的里程碑），其应用范围也在逐渐扩大。例如，用单一激光源可以将电池的箔片、标签、母线和外壳连接起来。众多的技术进步使激光可以与工业化的扫描系统集成，提高激光加工的质量和效率，因而促进消费电子的应用。这些应用反过来又促进了电动汽车零部件连接工艺的发展，并将其应用于航空航天和医疗领域。为了实现上述应用目标，激光技术的进步和加工工艺的发展并驾齐驱，并且这一趋势必将在增材制造中继续下去。

增材制造要用于汽车零部件等领域，需要进行工艺优化，以进一步提高体积打印效率。目前正在开发的蓝光激光技术将通过提高打印速度、打印分辨率以及打印质量，促进增材制造的发展。更高亮度的蓝光激光器即插即用，可以直接替代红外激光器，显著提高3D打印机的打印性能，扩展可打印材料的范围。

稳步快速发展

蓝光工业激光最有发展前景的一项应用就是区域打印（area printing），这是一种新型3D打印技术，其特点是多光束并行扫描，可以实现大面积3D打印，但该技术仍处于发展的早期阶段。NUBURU公司正在和U.S. Air Force 开展合作，研究区域打印技术。

与其他新技术的发展一样，蓝光激光性能的持续增强和用于区域打印等工艺参数的优化，都面临着相同的挑战。技术性能的提升，对于任何新产品的应用增长都是必不可少的，但是供应体系也必须支持市场的需求。由于其优异的材料加工特性，蓝光工业激光器正在被众多行业采用，必然要求供应链发生变化。但随着这些变化的发生，将会有更多的蓝光激光器应用于医疗保健、显示和生物仪器等众多行业。

从过去的历史来看，蓝光激光器带来的增长似乎是不可避免的，增材制造提高了材料利用效率，加快了跨行业创新设计的上市时间，显著降低了运营和维护成本。但是，如果金属3D打印仍然价格昂贵且效率慢，这些优势就无法实现。蓝光工业激光器消除了这些障碍，提供了快速、经济、高质量的金属件制造，达到了增材制造的最终目的。

作者：Mark Zediker，Jean-Michel Pelaprat