ShapedBeam*: как управление формой лазерного пучка ускоряет SLM-печать

Производительность SLM печати долго ограничивалась компромиссом между скоростью построения, стабильностью ванны расплава и качеством поверхности. Чем выше скорость и толще слой, тем выше риск нестабильного проплавления, локальных перегревов и ухудшения механических свойств. Технология ShapedBeam решает эту задачу не за счет механической расфокусировки, а за счет управляемого изменения формы лазерного пучка.

ShapedBeam позволяет перейти от стандартного гауссова пучка к сформированному M-Shape профилю с более широким и устойчивым распределением энергии. В результате изделие может печататься с большей толщиной слоя, увеличенным расстоянием между треками и сохранением требуемых свойств материала. По данным лабораторных тестов, прирост производительности составляет 170-280%.

Почему обычного увеличения мощности недостаточно?

В классической SLM-печати чаще всего используется гауссово распределение интенсивности: максимум энергии сосредоточен в центре пятна, а к периферии интенсивность быстро падает. Такая форма пучка хорошо подходит для контуров, тонких элементов и участков, где требуется высокая детализация. Но при попытке резко увеличить производительность возникает ограничение: локальный пик энергии может приводить к перегреву в центре трека, нестабильному проплавлению и повышенной чувствительности процесса к параметрам.

Ранее в системах с трехосевым сканированием изменение эффективной площади пучка могло выполняться через динамическую фокусировку по оси Z. Иными словами, пятно увеличивали за счет расфокусировки. Однако при переходе к более быстрым и надежным двухосевым сканирующим системам потребовалось другое решение, не связанное с механическим смещением фокуса во время построения.

ShapedBeam использует другой принцип: изменяется не положение фокуса, а пространственное распределение энергии в пятне. Это позволяет расширить область эффективного теплового воздействия без потери управляемости процесса.

Как работает ShapedBeam

В основе технологии находится дифракционный оптический элемент, установленный в оптической схеме после коллиматора. Этот элемент работает как фазовая пластинка с рассчитанным микрорельефом: он модулирует пространственную фазу падающего излучения и преобразует стандартный гауссов пучок в пучок с заданным профилем интенсивности.

На оборудовании КОМПО технология реализована как надстройка в оптическом канале. Дифракционный элемент интегрирован в моторизованный актуатор, который может вводить его в оптический канал или выводить из него без нарушения юстировки всей системы. Переключение между стандартным гауссовым режимом и M-Shape режимом выполняется автоматически по команде управляющей программы. Время позиционирования актуатора составляет не более 500 мс.

Такой подход позволяет использовать два режима в одном технологическом процессе:

· Гауссов пучок: для контуров, мелких элементов и зон, где приоритетом является детализация.

· M-Shape пучок: для заполнения внутреннего объема изделия, где критична производительность.

Типичный диаметр гауссова пучка составляет 55-90 мкм, а диаметр M-Shape пучка находится в диапазоне примерно 100-150 мкм. Поскольку площадь пятна растет пропорционально квадрату диаметра, для эффективной работы с увеличенным пятном требуется соответствующая энергетика лазерной системы. Поэтому практическая реализация ShapedBeam особенно актуальна для оборудования с киловаттными лазерами.

За счет чего ускоряется техпроцесс

Главный эффект ShapedBeam связан не с одним параметром, а с комбинацией факторов. Более широкое и равномерное пятно позволяет увеличить толщину слоя и расстояние между треками, сохраняя устойчивое формирование ванны расплава. При одинаковых технологических параметрах по мощности и скорости сканирования треки, сформированные кольцевым или M-Shape пучком, имеют меньшую глубину проплавления и более равномерную ширину по длине.

Практически это означает, что внутренняя часть детали может строиться быстрее без перехода в режим нестабильного плавления. Приведем графическое изображение для сравнения.

При стандартной толщине слоя прирост скорости составляет не менее 69%. При переходе на увеличенную толщину слоя и увеличенное расстояние между треками лабораторные тесты показали повышение производительности на 170-280%.
Показательный пример - деталь из Ti-6Al-4V, напечатанная в двух режимах. При гауссовом пучке использовалась толщина слоя 60 мкм, а время печати составило 26,3 часа. При использовании ShapedBeam толщина слоя была увеличена до 150 мкм, а время печати снизилось до 10,6 часа.

Что происходит с качеством и свойствами

Для производственной технологии важна не только скорость, но и воспроизводимость результата. Увеличение производительности не имеет смысла, если оно сопровождается деградацией структуры, нестабильной геометрией или существенным снижением механических свойств.

В испытаниях ShapedBeam показал, что изменение формы пучка позволяет сохранить морфологию материала и получить сопоставимые механические характеристики. Отмеченное снижение предела текучести находится на уровне примерно 4-5% как в XY, так и в Z-направлениях, что для высокопроизводительного режима может быть приемлемым компромиссом при серийной печати внутренних объемов. При этом контуры и мелкие элементы могут по-прежнему выполняться гауссовым пучком, что сохраняет точность в критичных зонах.

Технология уже реализована на установках КМ190M, КМ270M, КМ350M и КМ700M. Это важно для промышленного внедрения: ShapedBeam рассматривается не как лабораторная демонстрация отдельной оптической схемы, а как практическая функция оборудования, интегрированная в производственный маршрут.

Итог

Наиболее выраженный эффект использования технологии ShapedBeam достигается при печати деталей, где значительную часть объема занимает массивное заполнение. Это корпуса, теплообменные элементы, силовые компоненты, технологическая оснастка, детали с крупным внутренним объемом или повторяющейся структурой. Чем больше доля внутреннего заполнения относительно контуров и мелких элементов, тем выше потенциал сокращения времени построения.

ShapedBeam особенно полезен, когда производителю нужно:

· увеличить выпуск деталей без пропорционального увеличения парка машин;

· сократить длительность построения крупных изделий;

· снизить себестоимость машино-часа на одну деталь.

* - ShapedBeam (Шейпдбим - технология формирования пятна лазера).