激光送丝增材制造(Wire Laser Additive Manufacturing) 的工作原理是利用激光加热和熔化金属合金丝，然后将其精确定位在基板或前一层上，逐层堆积3D 金属部件。通常采用旁轴送丝方式, 加工平台搭建便捷, 但由于送丝具有方向性,材料受热不均匀, 难以保证在各个方向上熔覆层尺寸和性能的一致性。另外, 旁轴送丝模式下激光与送丝的耦合性差, 对两者相对位置有严格要求。当成形路径较为复杂多变时,旁轴送丝系统的控制复杂度也将随之增加。

同轴送丝方式能较好地解决旁轴送丝的自由度受限问题。在电弧和电子束增材制造领域, 同轴送丝技术已被广泛应用于复杂构件成形, 能获得性能更优、组织形态更均匀的增材件。相较于电弧和电子束热源, 激光热源具有光束可整形等特性，因此更容易实现光丝同轴制造。

现阶段常见的三类光丝同轴增材技术分别是分三光束光内同轴技术（a）、多光束集成光内同轴技术(b)、分环形光束光内同轴技术（c）。

分三光束光内同轴技术

分三光束光内同轴技术通过单一激光束经过三棱镜分裂为三个均匀分布的周向激光束，这些激光束围绕一个中心空间布置，形成了一个适合金属丝送入的中空区域。金属丝通过导丝管引导进入这个中心空间，与三激光束实现同轴分布。这种配置允许激光焦点聚集于工件表面，实现精确的加工和材料沉积。该技术以其光路设计简单、实施容易著称，但由于光丝同轴头体积较大，调整光路和送丝精度存在一定挑战，可能影响加工质量和效率。

苏州大学自主研制的新型三光束光内送丝喷头，将原始圆形激光束整形为周向均匀分布的三个扇形光斑，三个光斑光通量均沿着z轴方向呈"尖顶状"分布，丝材能够被三个光斑均匀包裹，实现光丝耦合。

德国coaxworks的wireM 激光焊接头采用三束同轴激光束将线材均匀熔化，用于激光焊接及增材修复。坚固的三光束柔性定向焊接设计，使得无论激光焊接头在工件上移动的方向如何，焊缝的形状都相同。

（德国Coaxworks的Laserschweißkopf wireM）

多光束集成光内同轴技术

多光束集成光内同轴技术采用环列式激光头布局，激光头固定在工作平台上方，各路激光束与竖直方向的夹角相等，共同聚焦于工件表面，形成一个环列式的热源。这种配置能在工件表面形成均匀分布的多光束加热区，通过调整各激光头的角度和功率，可以精细控制热源的能量分布，从而提高加工的均匀性和质量。虽然这种技术能提供高质量的加工效果，但其对激光头的装配精度和稳定性要求极高，是其主要挑战之一。

重庆大学开发环列式多激光束熔丝增材制造技术消除了激光束方向性带来的影响，实现各向同性，并在熔覆道和薄壁件成形工艺优化研究中，通过设置圆角和重合角度分别解决了成形过程中拐角和熔覆道首尾熔合差等问题，完成三种典型样件的稳定成形。

西班牙Meltio公司依托多光束集成光内同轴技术开发的核心产品Meltio M450 3D打印机能够生产高密度金属零部件，市场销售额近400台。

融速科技自研的六激光同轴送丝金属3D打印设备Laser One于2024年1月全新发布，设备配置Matrix阵列激光控制器，独立控制调节每束激光，能量分布更均匀，打印件表面粗糙度最高可达5μm。

(融速科技Laser One六激光同轴送丝打印头)

分环形光束光内同轴技术

分环形光束光内同轴技术通过将单一激光束经过特制的锥透镜转变为环形光束，然后通过棱镜分割为两个半环形光束，以便金属丝可以垂直穿过并送入加工区域。这两个半环形光束随后通过另一棱镜重新组合为完整的环形光束，并通过聚焦透镜聚焦于工件表面，形成直径约2到4毫米的环形加热区。这种技术能实现金属丝的均匀加热及其垂直于加工表面的送进，适用于360度全方位的加工。尽管分环形光束技术提供了优异的加工质量和灵活性，但其光路设计复杂，对光学元件的要求高，可能导致成本上升和维护困难。

华中科技大学自主设计了基于四分光光路的光内同轴送丝激光熔敷头，并以此为基础，设计搭建了激光熔敷成形试验平台，满足高精度、高效率、全方位的激光送丝熔敷成形需求。

Precitec的激光送丝熔覆头的环形光束直接聚焦到丝材和工件表面之间的交汇处，且送丝不会遮挡到光束，实现多方向送丝增材制造工艺。

（Precitec CoaxPrinter激光熔覆加工头）

资料参考

[1]陈源,姜梦,陈曦,等.光丝同轴激光增材制造研究进展[J].材料科学与工艺, 2022(002):030.

[2]Coaxworks官网:https://coaxworks.de/de/

[3]吉绍山,刘凡,傅戈雁,等.三光束光内同轴送丝激光熔覆成形新方法研究[J].表面技术, 2019, 48(4):9.DOI:CNKI:SUN:BMJS.0.2019-04-042.

[4]朱进前.环列式多激光束熔丝增材制造工艺特性研究[D].重庆大学[2024-03-12].

[5]融速科技官网:https://www.rongsu.com/

[6]许翔.激光送丝熔敷成形技术的基础及应用研究[D].华中科技大学[2024-03-12].

[7]激光送丝熔覆头CoaxPrinter实现同轴3D打印.普雷茨特精密技术上海有限公司[2018-08-10].