光束整形擴散器是一種光學元件，它可將透過其傳播的光束的照明模式改變為所需的光強度分佈。本文介紹了一些利用鐳射束整形優勢進行增材製造的創新方法。

增材製造簡介

增材製造（AM）是指各種技術，其中材料層在計算機控制的過程中相互疊加，以在透過CAD建模軟體或以其他方式生成的三維模型中形成三維物件，而傳統制造中的“減材製造”通常則是去除材料。

與傳統方法相比，AM處理方法具有一些固有的優勢，可以製造出更輕便、更堅固的零部件和系統。近年來，隨著加工精度要求的不斷提高，AM已成為許多不同工業領域的一種有價值的生產方法，包括食品工業、航空航天、汽車、醫療保健等行業。

AM技術的其他相關術語包括“3D列印”和“快速原型製造”，以及AM的現有子集，通常在使用類似技術的家用和產品開發應用程式中提及。

目前，還有許多不同的技術可應用於各種AM工藝，其中許多技術是基於鐳射的技術，其中將鐳射作為加熱源，以實現材料的選擇性融合，無論是否達到熔融或燒結狀態，其中不同的技術將導致不同級別的層類材料密度不同，也可適用於不同的材料使用。

使用光束整形擴散器進行鐳射束整形

光束整形擴散器是一種光學元件，它將透過其傳播的光束的照明模式改變為所需的光束強度分佈，通常是均勻一致的分佈，其設計特性由工藝引數決定。

有各種型別基於不同光學概念的光束整形擴散器：

一種

衍射光束整形擴散器

，改變光的相位產生所需的輻射度。衍射擴散器具有均勻度高、邊緣鋒利等特點。

寬頻擴散器

，也稱為工程擴散器，是一種折射元件，與基於幾何光學原理的微透鏡陣列非常相似，其排列次序和透鏡高度決定了輸出形狀和質量。它的特點是具有高均勻性和高效率。

一種寬頻混合擴散器，在其設計中結合了衍射和折射特性，產生了高效率、高均勻性的尖銳形狀和獨特的邊界。Holo/Or的寬頻擴散器就是這樣的混合型元件。

與標準高斯光束相比，還可以使用其他方法將光束擴散到更加均勻的強度分佈，但是，上述方法是產生最佳輸出引數的最常用方法。

利用鐳射束擴散器最佳化AM工藝

一般來說，透過使用不同的輻照模式來最佳化不同的工藝。工藝引數，例如所使用的技術、輸入鐳射束的直徑、光學設定、粉末材料型別等，都會對精確的照明模式產生影響，從而在特定應用中產生最佳效能。

對比研究表明，例如，在鐳射金屬沉積過程（LMD）中，由於光束具有均勻的能量且較小的溫度梯度，當使用光束整形擴散器產生的環形光束在高斯光束上沉積，工藝效能得到了改善。在許多效能指標上都具有優勢，包括較小的工件殘餘應力、減少熱量積聚、避免過度燒結和稀釋、細化晶粒尺寸和改善塗層表面質量等方面。該技術可廣泛應用於汽車工業、航空航天、能源技術、石化和醫療技術等行業。

對於選擇性鐳射熔化（SLM），研究表明，與一種簡單的高斯光束相比，具有中心光斑的環形光束可以改善熔池動力學，從而形成更穩定的熔池。這種技術可以消除內應力裂縫，從而以極高的建造速度生產出完全緻密的材料。

TL； DR-問答

什麼是光束整形擴散器？

擴散器是一種光束整形器，通常可從透過它的輸入光束產生均勻一致的照明。擴散器還可以將光束塑造成幾乎任何所需的強度輪廓。

有哪些型別的光束整形擴散器？

目前市場上有各種型別的光束整形擴散器，最常見的是衍射擴散器和寬頻擴散器，它們是微透鏡陣列的某一個子透鏡。

增材製造中運用什麼樣的鐳射束整形技術？

不同的工藝受益於不同的強度分佈。在鐳射金屬沉積成形過程中，以環形光束為例，由於其具有均勻的能量分佈、較小的溫度梯度，環形光束被證明可產生優良的工藝效果。在選擇性鐳射熔化過程中，具有中心光斑功率的環形模式能夠實現高質量的高吞吐量製造。