2021年9月美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）报道，其研究人员通过光束整形，实现了贝塞尔光束替代常见的高斯光束进行金属构件3D打印。他们发现应用贝塞尔光束能够减少3D打印孔隙的形成和“匙孔”的发生（“匙孔”是激光粉末床熔融中的一种孔隙诱导现象，由于使用高斯光束而加剧），从而能够提高3D打印金属结构致密度及性能。

一、高斯光束与贝塞尔光束

该研究表明，由于高斯光束其振幅在横截面内为高斯分布，强度集中在轴线及附近、易发散，光斑形状为带束腰的不规则圆形，在3D打印过程中会导致很大的热梯度以及复杂的熔池不稳定性，产生键合（原子以“键”的方式联在一起形成分子）现象，从而使成品部件的机械性能下降。

与高斯光束相比，贝塞尔光束在传播方向垂直横截面内强度分布为一个中心光斑和若干个同心圆环，具有无衍射性、传播时不会发散的特点，可以解决高斯光束无法控制材料周围热量沉积方式的问题，能够将部分能量重新分配到远离中心的位置，降低热梯度、优化热轮廓和微观结构晶粒，从而生产出组织更优、表面质量更好的零件。

二、光束“整形”技术应用研究

LLNL研究人员通过使激光穿过两个锥形透镜形成圆环形状，再通过附加光学元件和扫描装置在中心光束周围形成“环”，从而实现对光束的整形。即，由高斯光束转变为贝塞尔光束。研究人员将该装置安装在商业3D打印机中，以不锈钢粉末为原料打印成形立方体及其他形状零件。

为了研究激光束整形后打印的效果，研究人员通过高速成像对熔池动态的观察显示，可大幅减少熔池湍流和“飞溅物”。在力学研究和模拟中，与传统高斯光束相比，采用贝塞尔光束制造的零部件更致密、强度更高且拉伸性能更好。

研究人员模拟了高斯光束和贝塞尔光束光斑形状与金属粉末材料的相互作用。比较发现，贝塞尔光束比高斯光束表现出较小的热梯度，同时能够实现更好的能量分布，避免了高斯光束中“热点”的产生，以得到更好的零件微观结构。

高斯和贝塞尔光束形状的强度分布示意图

结语

作为LLNL正在研究的提高3D打印金属零件质量的众多途径之一，光束整形是一种比其他途径成本更低的选择。一通过使用简单的光学元件来降低设备的制造成本；二可以减少使用高斯光束制造零件所需的后处理技术的费用和时间。研究人员目前正在尝试其他光束形状设计方法，并与GE全球研发中心持续合作研究复杂激光束和偏振成形方法，以更好地控制金属零件的打印质量。光束整形是改进打印大型、高强度、无缺陷零件工艺质量的可行方法，易于被集成到商用金属3D打印系统中，且不会像其他替代技术那样带来重大的集成性问题。