德國(guó)PRIMES——掃描場(chǎng)焦點(diǎn)分析儀SFM監(jiān)測(cè)nLIGHT AFX-1000 3D打印環(huán)形激光

SFM激光振鏡掃描場(chǎng)焦點(diǎn)分析儀采用刻有10~15微米厚測(cè)量線玻璃板的技術(shù)表征激光光束特性，光電二極管探測(cè)刻線的散射光來(lái)測(cè)量激光光斑

在增材制造工業(yè)領(lǐng)域恩耐AFX－1000環(huán)形光斑激光器越來(lái)越受到關(guān)注。德國(guó)PRIMES公司的激光掃描場(chǎng)焦點(diǎn)分析儀 ScanFieldMonitor（SFM）設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)激光振鏡掃描系統(tǒng)狀態(tài)以及維持增材制造3D打印加工質(zhì)量，榮獲AKL 2022激光技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。本文展示了SFM對(duì)AFX－1000激光器不同模式光斑的一系列測(cè)量，揭示了SFM觀察到的模式振蕩的來(lái)源，光斑分布結(jié)果與激光粉末床熔合LPBF加工效果一致。

恩耐AFX－1000是一款在光纖內(nèi)部進(jìn)行光斑調(diào)整的kW激光器，可自由切換14μm單模纖芯高斯光和40μm多模環(huán)形光等7種模式，無(wú)需多余的光學(xué)鏡組。以增材制造應(yīng)用為研發(fā)初衷，AFX在環(huán)形光斑模式下能夠穩(wěn)定熔池，減少煙塵和飛濺，提高材料的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。離散型的設(shè)計(jì)理念可實(shí)現(xiàn)每秒30次的極速光斑切換，為因熔化與凝固比例問(wèn)題、微觀物理特性與熱應(yīng)力所導(dǎo)致的零部件失效提供了全新的解決方案。AFX光纖激光器在環(huán)形光斑模式下加工致密材料（致密度＞99.5％）的速度已超過(guò)每小時(shí)100立方厘米。

SFM可在3秒內(nèi)測(cè)量功率10W~1500W激光掃描場(chǎng)50μm~500μm聚焦光斑的直徑、位置、掃描速度，峰值功率密度可高達(dá)100MW/cm2

德國(guó)PRIMES公司的激光掃描場(chǎng)焦點(diǎn)分析儀SFM是一款多功能一體化的激光光束診斷設(shè)備。這項(xiàng)研發(fā)是由增材制造選擇性激光熔化SLM或激光粉末床熔合LPBF的許多新應(yīng)用而推動(dòng)的。SFM分析儀可在整個(gè)掃描場(chǎng)范圍測(cè)量激光焦點(diǎn)參數(shù)：光斑直徑、位置、掃描速度；還可以確定枕形失真、重疊掃描場(chǎng)的合并、焦點(diǎn)偏移以及激光的開(kāi)啟和關(guān)閉延遲、熱透鏡檢查等時(shí)間分辨分析；并且能實(shí)現(xiàn)LDS軟件遠(yuǎn)程控制，從而使用戶能夠更好地校準(zhǔn)激光3D打印機(jī)。

AFX－1000的7種Index光斑模式（MSM+測(cè)出焦點(diǎn)二維光斑及橫向分布），SFM測(cè)出焦點(diǎn)橫向分布（多次平均后的） 

PRIMES MSM+ CCD型微細(xì)焦點(diǎn)分析儀功能完善，測(cè)出AFX－1000的7種Index焦點(diǎn)二維光斑及橫向分布作為標(biāo)準(zhǔn)（500W靜止光）。PRIMES SFM測(cè)量AFX－1000 500W 1m/s掃描加工速度下的焦點(diǎn)橫向分布，很接近MSM+的測(cè)量結(jié)果，測(cè)得的光斑直徑與MSM+測(cè)量結(jié)果一致，誤差在3%以內(nèi)。SFM測(cè)量頭8×8×10厘米，相比MSM+體積小40倍，性價(jià)比更高，能直接測(cè)量掃描加工速度下的運(yùn)動(dòng)光，入射角度最高可達(dá)20度，可以在整個(gè)掃描區(qū)域測(cè)量，更適合3D打印激光測(cè)量。

SFM測(cè)量AFX－1000 Index 5光斑經(jīng)過(guò)10次平均后的焦點(diǎn)橫向分布，10次測(cè)量可以看見(jiàn)光斑模式振蕩的細(xì)節(jié)，平均（紅色）后振蕩細(xì)節(jié)消失 

AFX輸出環(huán)形光斑時(shí)為多橫模，多模之間有模式競(jìng)爭(zhēng)。相比MSM+ CCD毫秒級(jí)曝光時(shí)間、1秒測(cè)一次光斑看不見(jiàn)光斑模式振蕩細(xì)節(jié)，SFM最高響應(yīng)10m/s的掃描速度、1秒高達(dá)100次測(cè)量可以看見(jiàn)模式振蕩細(xì)節(jié)。10次測(cè)量AFX Index 5光斑模式的焦點(diǎn)橫向分布可以看見(jiàn)模式競(jìng)爭(zhēng)的振蕩細(xì)節(jié)，平均后（紅色）振蕩細(xì)節(jié)消失，環(huán)形光斑對(duì)應(yīng)粉末床的平頂強(qiáng)度分布。

AFX Index 0（左）與 Index 5（右）兩種模式加工剖面對(duì)比圖，紅線區(qū)表示固化熔融池范圍，很明顯環(huán)形光斑可以降低深度擴(kuò)大面積

TUM慕尼黑技術(shù)大學(xué)測(cè)試了AFX不同模式對(duì)316L不銹鋼的LPBF加工影響。采用300W功率 800mm/s的掃描速度。相比高斯光Index 0，環(huán)形光Index 5熔化池淺而寬效果更好，從而可以增加功率與掃描速度，加工效率由12mm/s (Index 0)大大提高到20mm/s (Index 5)。

結(jié)論：德國(guó)PRIMES公司的激光掃描場(chǎng)焦點(diǎn)分析儀SFM精密測(cè)量了恩耐AFX激光器非高斯光斑，測(cè)得的光斑強(qiáng)度平均分布非常接近于粉末床上沉積的能量分布。