摘要
雷射增材制造（AM）技術憑借制造精度高、靈活性強等優點，廣泛應用于汽車、醫療、航空航天等領域關鍵零部件（如火箭燃料噴嘴、衛星天線支架和人體植入物等）的制造。和自動化。該技術通過材料結構和性能的內建制造，可以顯着提高列印零件的綜合性能。目前，雷射增材制造技術普遍采用聚焦高斯光束，其能量分布為中心高、邊緣低。然而，它往往會在熔池中産生較高的溫度梯度，導緻随後産生孔隙和粗晶粒。作為解決這一問題的新方案，光束整形技術可以通過調制雷射束能量的分布來提高列印效率和品質。本文系統綜述了光束整形技術在兩種主流金屬雷射增材制造技術（雷射粉末床熔化（LPBF）和定向能量沉積（DED））中的應用，包括不同材料的能量分布、熔池形貌和零件品質。異形梁。不同形狀的光束對零件品質的影響主要取決于它們對熔池形态和内部動力學的影響。為了推動光束整形技術在金屬雷射增材制造領域的應用，需要對整形光束的能量輸入穩定性進行充分的控制。此外，如何實作多光束和動态光束整形的金屬雷射增材制造對于金屬雷射增材制造技術的未來發展也至關重要。
引言
與傳統的減材和等效制造相比，金屬增材制造技術具有制造周期短、加工精度高、材料使用率高和零件整體性能良好等優點。是以，金屬增材制造技術廣泛應用于航空航天、武器裝備、核電、生物醫學和汽車等行業。金屬增材制造基于離散堆疊原理，利用能源（例如雷射、電弧或電子束）使粉末或金屬絲熔化，然後逐層堆疊來制造目标部件。該技術在生産小批量、複雜結構或個性化零件方面具有顯着優勢。那些不能或難以通過傳統工藝加工的材料也适合通過增材制造方法制備。由于上述優點，增材制造技術引起了國内外學者的廣泛關注。過去幾十年來，增材制造技術取得了突飛猛進的發展。由于雷射增材制造裝置的自動化、柔性化，以及雷射能量密度高、加工精度高的綜合優勢，雷射增材制造技術在上述三種金屬增材制造技術中發展最為迅速。
雷射增材制造技術又可分為LPBF和DED。LPBF工藝，也稱為選擇性雷射熔化（SLM），可以通過以設定路徑在粉末床表面掃描高能雷射束來制造複雜的金屬部件。然後粉末以逐層的方式熔化和凝固。DED工藝主要包括雷射熔化沉積和雷射送絲AM兩種印刷工藝。這兩種技術可以通過同步送入金屬粉末或線材來直接制造和修複金屬零件。與LPBF相比，DED具有更高的生産率和更大的制造面積。此外，複合材料和功能梯度材料可以通過DED工藝友善地制備。然而，DED列印部件的表面品質始終較差，需要進行後續加工來提高目标部件的尺寸精度。
聚焦高斯光束通常是目前雷射增材制造技術中的能量源。但由于其特殊的能量分布（中心高、邊緣低），很容易造成熔池熱梯度高、不穩定。它導緻列印零件的成型品質不理想。而且熔池中心溫度過高，無法使低熔點金屬元素汽化，進一步加劇LBPF過程的不穩定性。結果，孔隙率增加，列印部件的機械性能和疲勞壽命顯着降低。Sanaei 等人 詳細概述了增材制造金屬部件中的缺陷及其對疲勞性能的影響。他們發現金屬部件内的孔隙缺陷是導緻疲勞失效的主要原因。同時，高斯光束能量分布不均勻也導緻雷射能量利用效率低下，造成過多的能量浪費。為了獲得更好的列印品質，學者們開始探索通過修改雷射功率、掃描速度、粉末層厚度]和掃描政策等工藝參數來控制能量輸入的可能性彌補高斯光束的缺陷。
雖然參數修改對列印元件的品質有一定的改善，但這種調整方法還可以更好。由于這種方式的工藝視窗非常窄，固定的實體限制限制了進一步優化的可能性。例如，可以通過增加雷射功率和掃描速度來實作高制造效率，而這通常是以犧牲印刷品質為代價的。近年來，通過光束整形政策改變雷射能量分布可以顯着提高制造效率和列印品質，這可能成為雷射增材制造技術未來的發展方向。光束整形技術一般是指調整輸入光束的波前分布以獲得所需的光強分布和傳播特性。
它可以同時實作多個次元的性能提升，這與高斯光束提高一維性能必然以犧牲其他次元為代價不同。光束整形技術可以影響熔池溫度分布和流動行為的精确調節。即通過控制雷射能量分布獲得相對穩定、溫度梯度較小的熔池。合适的雷射能量分布有利于抑制氣孔和飛濺缺陷，提高金屬部件的雷射列印品質。
此外，它還可以實作生産率和粉末使用率的各種改進。同時，光束整形技術為我們提供了更多的加工政策，極大地釋放了工藝設計的自由度，這是雷射增材制造技術的革命性進步。本綜述旨在概述成形光束在雷射增材制造技術中的應用（。首先闡述了光束整形技術的基本原理。其次，讨論了不同形狀雷射束的能量分布狀态及其對熔池狀态和零件列印品質的相應影響。然後分别介紹了光束整形技術在LPBF和DED中的應用。随後，對多形光束混合技術在雷射加工技術中的應用進行了介紹和分析。最後，本文給出了結論性意見和未來展望。
論文圖檔
圖 1 兩種金屬印刷工藝示意圖：(a) LPBF；(b) 直接驅動裝置
圖2 成形光束在雷射增材制造技術中的應用
圖3 飛濺和匙孔缺陷的形成機制：(a)在高雷射功率下去除較大的飛濺；(b) A低功率下，雷射軌迹發生扭曲；(c) 飛濺物分裂和複制；(d) 向後噴射飛濺物；(e) 背面飛濺顯影；(f) 匙孔的形成和發展；(g) 孔隙形成
圖4 非球面透鏡組成形：(a)雙自由曲面光學透鏡組的設計；(b) 由兩個具有自由曲面的透鏡組成的光學系統；(c) 接收器上輻照度分布的模拟結果（d為第二透鏡出射面與接收器之間的距離）
圖 5 微透鏡陣列整形原理：(a) 微透鏡陣列整形系統的光學原理圖，(b) 均化器的二維方案
圖6熔池中主要實體現象示意圖
圖7 橢圓雷射束的能量分布和熔池狀态：（a）最大圓形高斯（CG-L）、最大縱向橢圓（LE-L）和最大橫向橢圓（TE）空間強度的數值拟合-L）；(b) CG、TE 和 LE 剖面下的熔迹；(c) 最小圓形高斯光束(CG-S)、最小縱向橢圓形(LE-S)和最小橫向橢圓形(TE-S)輪廓下熔體軌迹的縱向截面圖；(d) CG、TE 和 LE 的橫截面圖
圖 8 橢圓雷射束對晶粒結構的影響：(a) CG、TE 和 LE 下的成核事件；(b) CG、TE和LE的G-R分析；高斯光束（c）和橢圓光束（d）列印的立方體顆粒圖
圖9 高斯光束(a)和平頂光束(b)的強度模式；高斯光束 (c) 和平頂光束 (d) 的 CCD 相機圖像；高斯雷射束 (e) 和平頂雷射束 (f) 的橫截面溫度場
圖10 平頂光束和高斯光束樣品的表面形貌和顆粒分布：(a) 使用平頂光束列印時的高速圖像；(b) 熔迹的 3D 掃描圖像；(c 和 d) 用兩個光束建構的樣品的表面形貌
圖11 (a)高斯光束和(b)貝塞爾光束的橫截面輪廓；(c和d)兩束光束的聚焦特性；(e和f)兩束光束的縱向截面輪廓(z為距焦點的距離)；(g) d/w 和 Dz（散焦距離）的函數
圖12 高斯光束和貝塞爾光束下樣品列印品質和性能比較：(a) 高斯光束（上）和貝塞爾光束（下）下熔池的高速圖像；(b) 時間與熔池蒸氣角度之間的函數；(c和d)貝塞爾梁和高斯梁制備的零件的強度和延展性比較；高斯光束(e)和貝塞爾光束(f)的G-R分析
圖 13 光束輪廓：(a) 高斯分布，(b) 逆高斯分布；光束的 CCD 相機圖像：(c) 高斯分布，(d) 逆高斯分布。(e) 逆高斯 (IG) 下的熔化軌迹
圖14 不同工藝參數下高斯光束和反高斯光束列印樣品的比較：(a) 兩種光束下的晶粒伸長率分布；(b) 不同填充距離的高斯和逆高斯光束的處理視窗
圖15 平頂光束(a)和高斯光束(b)下的反極圖(IPF)圖；平頂光束（c）和高斯光束（d）下的晶界取向圖[111]
結論
由于其獨特的加工方法，增材制造技術常被用來制造具有定制微觀結構的零件，并實作零件性能的控制。但由于固有的實體限制，很難通過修改工藝參數來進一步優化列印品質。固定、靜态的高斯光束不利于列印屬性複雜的零件。高斯光束特殊的能量分布（中心高、邊緣低），很難獲得穩定、均勻的顯微組織，同時也會産生較大的殘餘應力。但可以通過以下方式實作對熔池的更精細控制重新調整雷射束的能量分布。此外，由于沒有列印參數的實體限制，可以選擇更多的列印政策，列印樣品的品質将進一步提高。最後列舉了異形波束的應用前景：
1.個性化微結構控制：整形光束與高斯光束形成不同的熔池狀态。為了滿足不同的個性化微結構的需要，可以選擇不同形狀的梁。一些學者還通過原位光束整形獲得了特定位置的個性化微結構[77]。
2.較大厚度和直徑的高施工效率印刷：在不改變雷射功率和掃描速度的情況下，使用大直徑整形光束和較大的粉層厚度可以在一次雷射掃描過程中熔化更多的粉末，這是實作更高施工效率的有效手段。
3.難印刷合金材料的制備：部分合金(如鋁合金、銅合金)雷射吸收率低，印刷缺陷多，能源浪費嚴重。而整形光束通過優化熔池的傳熱傳質方式，可以顯著提高雷射能量的利用效率。為難印刷合金的制備提供了一種新的方案。
4.動态定形光束列印：為了獲得材料特性可變的零件，在加工過程中，根據零件不同零件的性能要求，實時快速切換相應的能量分布光束是非常重要的。
雖然整形光束具有一系列的優點，但由于整形雷射器發展緩慢，而且整形光束的AM還處于起步階段，是以在整形光束的應用中還存在以下挑戰。
1.在施工過程中，異形梁的能量分布和工作狀态的穩定性還有待進一步研究。
2.異形梁的能量分布對LPBF零件的微觀組織和應力狀态有明顯的影響，但其具體機理尚不完全清楚。
3.經過近幾年的發展，束流能量分布的靜态調整比較容易實作。但目前仍難以保證印刷過程中不同形狀光束的準确實時切換(動态調節)，硬體和軟體控制技術也不成熟。目前，還沒有研制出具有束流動态調節功能的LPBF裝置。
結果表明，較寬的熔池和較短的加熱時間更有利于等軸晶或等軸柱狀混合組織的産生。平頂梁的均勻能量分布大大降低了熔池内的溫度梯度，這有利于獲得更大的顆粒和更高的密度。貝塞爾光束典型的點環光強分布有效地抑制了飛濺和氣孔的形成。
它在穩定熔池方面起着重要作用。由于甜甜圈型材獨特的兩次加熱和冷卻過程，氣體可以有效地從熔池中去除。是以，逆高斯光束可以在更寬的參數範圍内獲得比高斯光束更高的密度部分。
今後的工作要重點抓好以下幾個方面的工作。
1.由于制造效率高、結構複雜的要求，采用多個合适的異形梁對性能複雜的零件進行同步印刷具有很大的發展前景。
2.基于傳統高斯光束的多光束雷射裝置已得到較好的發展。然而，如何将成形光束應用于多光束印刷裝置，實作高性能零件的制備還需要進一步的研究。
3.在印刷複雜零件(包括不同材料、不同結構和不同性能)時，雖然靜态整形技術在一定程度上釋放了雷射調幅技術的潛力，但要同時滿足所有要求，單一的整形光束仍然是困難的。是以，在列印過程中，根據不同的列印要求，實作不同形狀光束的實時切換是必不可少的。
論文資訊
Beam shaping technology and its application inmetal laser additive manufacturing: A review
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.08.0372
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