激光3D打印基本原理

金属材料的增材制造（3D打印）工艺在航空、航天、航海、车辆、模具制造、医疗器械等领域的需求巨大。目前，应用于金属增材制造工艺的热源有激光束、电子束、微束等离子三大高能束及烧结热输入等，其中的激光束是金属增材制造领域应用最广泛的高能束热源。与电子束、微束等离子热源相比，激光束具有光斑细、成本低、可定向作用到指定材料位置等优点，可实现金属材料的瞬间熔凝，满足熔道搭接和零件成形的要求。

激光3D打印使用的激光器有光纤激光器、半导体激光器、Nd:YAG激光器和CO2激光器。不同材料对不同波长的激光吸收不同。通常，打印聚合物以CO2激光器为主，而金属粉末的3D打印主要使用光纤激光器。

根据加工方式的不同，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、直接金属沉积等等。其中，选择性激光熔化（SLM）是目前使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。打印之前，要先对3D模型进行分层处理，然后确定扫描轨迹。第一步，用刮刀均匀地刮过工作台，在上面铺一层粉末；第二步，用激光在这层粉末上扫描特定轨迹让其熔化，实现一层的打印；第三步，将工作台往下移动一层，然后循环上述操作，使打印层从下往上堆叠起来，这样就形成了所要打印的3D零件。为了防止氧化，整个过程要对工作舱抽除空气并充入惰性气体。

▲ SLM打印设备基本原理

激光3D打印对激光器的需求

激光3D打印对激光器的需求主要体现在两个方面：一方面是功率与功率稳定性，另一方面是光束质量及光斑大小。

（1）功率与功率稳定性

3D打印成形过程主要靠的是激光的热效应，激光强度必须超过一定的能量阈值才能使材料熔化，因此更关注激光器平均输出功率，对于激光器的脉冲模式不敏感，因此通常使用连续光纤激光器，功率大致分布在100W~1000W之间。

模型越大，层数越多，打印时间越长。一般持续时间在几个小时到几十个小时。所以，对于激光器长时间稳定运行提出了很高的要求。如果温度偏高，金属粉末可能会过烧、甚至会导致其他已成形的部分重熔；温度偏低，金属粉末熔化不彻底，粘合力不够，成形构件形状就可能保持不住。因此，激光器的功率稳定性对于打印质量至关重要。

（2）光束质量及光斑大小

光束质量和光斑大小体现打印精度的关键参数之一。3D打印是通过激光束扫描成形的，激光的光斑越小，扫描的精度就越高，打印出来的模型分辨率就越高，肉眼可见的就是打印件表面越细腻。

光束质量通常以BPP或M2来表征，M2越接近1，表明光束质量越好，激光能量越集中，对周围的热影响越小；同时，光束质量越好，对应的发散角度越小，聚焦出来的光斑也会相应更小。

光惠激光与美光速造在3D打印领域的探索

光惠激光（GW Laser Tech）作为全球高亮度光纤激光器领先者，随着3D打印技术的兴起，也在这一应用领域积极探索，推出了针对3D打印应用的500W单模10μm/14μm连续光纤激光器，面向医疗器械、汽车零部件、航空航天等领域。

其中，10μm和14μm不同芯径大小决定了光斑大小，主要影响激光功率密度，即单位面积的光能量大小，同等功率条件下，光斑尺寸越小，激光功率密度越大，高功率密度光斑适宜打印高熔点或者高反射的金属粉末。

▲ 光惠激光500W单模10μm光纤激光器

产品优势：

➢ 超薄、轻量化设计，19寸1.5U高度设计，重量＜20kg，结构紧凑、体积小、重量轻，赋予无与伦比的集成便利性和灵活多用性。

➢ 产品结构采用密闭设计，针对3D打印使用环境，大幅度提高激光器整体的可靠性，IP65防护等级，可持续在高温、高湿、高粉尘等恶劣环境中运行。

➢ 最大功率500W，足可以成形奥氏体不锈钢、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%，保证超长时间打印的工艺一致性。

➢ 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。

美光速造（FastForm）是一家专门研究与开发3D打印技术及装备的企业，能够提供顶尖的快速成型服务与配套解决方案。现已与光惠激光建立了深入合作，未来将在航空航天、汽车模型、生物医疗等领域关键零部件进行3D打印试验及研究。推出FF-M140单激光产品，FF-M150教学专用机型，FF-M180D双激光口腔专用机型，FF-M300H 1000W高功率激光工业机型，FF-M500双激光机型，FF-M800四激光产品，并全部实现批量生产，支持定制国产化方案。自主开发多激光切片和路径生成软件FastLayer。设备完全实现全自动控制，无人值守操作。

▲ 美光速造FF-M180D双激光金属3D打印机

该产品具有如下显著优势：

➢ 双向及变速铺粉技术，粉末利用率高。

➢ 自主开发软件，一键完成自动切片与路径规划。

➢ 自带摄像头，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

▲ 美光速造FF-M180D配合光惠500W激光器3D打印产品

3D打印产业现状及发展前景

目前，3D打印已经进入了快速成型的时代，根据中商产业研究院的统计数据显示，2021年下游应用领域中机械行业占比最多，达17.5%，其次为消费电子（16.6%）和汽车（16.1%）。随着消费电子和汽车工业的快速发展，未来3D打印在这两个领域中的应用领域将进一步扩大。

在产业规模方面，按照中投网的预计：2021-2025年3D打印的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、材料以及服务三个方面，其中打印设备占大头。根据CCID发布的数据显示，2020年中国3D打印设备产业规模92.54亿元，占比最高。

目前3D打印设备的价格还相对较高，一方面源于国外的专利和垄断，另一方面是因为我国3D产业起步晚，需求量少，自主化程度低。随着我国高端制造业的升级发展、技术的发展和成本的下降，未来我国3D打印行业将会呈现国产化程度越来越高的趋势。设备制造商之间的紧密合作对推动3D打印技术的规模化发展至关重要。

光惠激光不仅专注激光产品技术的研究和创新，同时在激光加工工艺领域不断探索，并致力于帮助客户解决应用上的难题。美光速造作为一家国内领先的3D打印设备厂商，熟悉3D打印的各个环节，同时具有经验丰富的咨询顾问团队，为客户提供专业的3D打印领域的高端产品。未来，光惠激光将携手美光速造一起推动激光3D打印技术在国内的应用和发展，助力产业升级。

作者：光惠HTH登陆入口网页 工程师·顾佳星