通过定制化激光束整形推动金属3D打印发展：一篇关键性综述

近日，《Materials & Design》刊发了一篇题为《Advancing laser powder bed fusion of metals via tailored laser beam shaping: A critical review》的综述论文，由汉堡工业大学、皇家墨尔本理工大学等多机构学者联合完成。

这篇综述首次将光束轮廓生成与熔池动力学、缺陷形成、表面质量、微观组织演变、力学响应及生产率置于同一框架下进行整合分析。

光束整形正在从光学调节手段升级为贯通整个工艺链条的系统性变量。

图1 PBF-LB/M光束整形文献的关键词共现图谱

10.1016/j.matdes.2026.116548

传统高斯光束的局限

当前商用PBF-LB/M（粉末床选区激光熔融）金属3D打印系统广泛采用高斯光束，其中心峰值能量集中，虽有利于实现较高成形速率和一定穿透深度，但在高能量输入条件下，这种集中的能量分布会带来陡峭的热梯度与局部过热，从而缩窄稳定工艺窗口，加剧匙孔效应、飞溅及孔隙率等问题。这些问题最终会损害零件的力学可靠性与疲劳性能。单纯依赖传统高斯光束，已逐渐成为制约工艺进一步优化的瓶颈。

图3 常见光束轮廓的归一化三维强度分布

图中展示了高斯、平顶、环形、芯环式及椭圆五种典型光束轮廓的空间能量分布形态。高斯光束能量集中于中心峰值；平顶光束实现辐照面的均匀覆盖；环形与芯环式光束将能量从中心向周边重新分配；椭圆光束则可在不同轴向上实现差异化能量分布。这些差异化的能量分布模式，构成了光束整形调控熔池行为与微观组织的物理基础。

图7(c) 高斯光束与环形光束的熔池宽深比对比

图中展示了高斯光束与环形光束在不同归一化功率密度下的熔池宽深比（AR）变化。高斯光束的宽深比随能量输入急剧上升，易触发匙孔模式；而环形光束在更宽的参数范围内保持稳定的传导模式熔化，AR值低且变化平缓。这一对比直观地解释了光束整形如何通过重新分布能量来拓宽稳定工艺窗口、抑制匙孔诱导的缺陷。

从点加热到场调控

该综述的核心论述在于，通过对激光空间能量分布进行重新设计——即光束整形——可以实现对熔池行为的“场”级调控。论文系统比较了环形（ring）、芯环式（core-ring）、平顶（top-hat）及椭圆（elliptical）等非高斯轮廓，揭示出这些轮廓能够将能量从中心向周边重新分配，从而带来一系列连锁收益：

• 拓宽稳定工艺窗口：整形光束有助于维持更宽、更浅的传导模式熔池，延迟或抑制匙孔的形成，使工艺在更宽的功率与速度组合下保持稳定。

• 显著改善致密度与表面质量：通过减少飞溅和抑制匙孔诱导的孔隙，可实现接近全致密（>99.5%）的零件，同时降低表面粗糙度。

• 微观组织的可设计性：通过改变热梯度（G）和凝固速率（R），整形光束可影响晶粒形貌与晶体学织构。例如，在某些条件下，横向椭圆光束能将316L不锈钢的等轴晶粒分数从约30%提升至47%。

• 生产率的实质性提升：由于能够采用更大的扫描间距和更宽的熔道，在优化条件下可实现高达100%甚至更高的理论成形速率提升。

图10(b, b-1) 不同光束轮廓下的熔池横截面与致密度对比

图中展示了Ti-6Al-4V在不同光束模式下的熔池横截面形态及致密度随面能量密度（AED）的变化曲线。高斯光束在较高能量下呈现明显的匙孔特征，孔隙率显著；而芯环式（40/60）和环主导（10/90）光束在优化能量区间内可实现近乎无缺陷的致密组织。该图直观展示了光束整形对致密度与缺陷抑制的实际效果。

整合建模与标准化诉求

区别于过往偏重光学实现或单一材料效应的综述，本文特别强调了与光束形状相关的工艺描述参数（shape-aware process descriptors）的重要性。传统体能量密度（VED）等标量指标不足以比较不同光束轮廓，该综述呼吁建立统一的光束直径定义、辐照度分布描述以及无量纲工艺框架，以实现研究成果的可重复性与跨平台比较。

图16(a) 光束轮廓与熔池多物理场耦合仿真

图中展示了不同光束强度分布下的熔池表面热-流耦合仿真结果，包括Marangoni流动和反冲压力分布。该图从建模角度揭示了光束形状如何通过改变熔池温度场和流场来影响最终凝固组织，呼应了综述中关于“建立统一工艺描述参数和标准化框架”的论述。

此外，论文也直面了工业化障碍。从静态光学元件（如衍射光学元件DOE）到基于光源的动态可调模式（如芯环式光纤激光器），再到可编程空间光调制器（SpLM），不同技术路径在适应性、稳定性与集成成本上存在显著权衡。光学集成难度、能量传输稳定性、以及缺乏标准化术语，仍是光束整形从实验室走向车间必须跨越的门槛。

结语

这篇综述为读者提供了一个全景式视角。光束整形不仅是优化熔池的工具，更是连接工艺参数、材料微观结构与最终零件性能的关键桥梁。对于正在寻求突破效率与质量瓶颈的设备商、激光器制造商以及工艺开发者而言，理解并利用这一空间能量调控逻辑，将是下一代增材制造技术竞争中的重要一环。该综述还指出了自适应光束切换、原位监测闭环控制等未来方向，预示着按需定制热场的增材制造时代正在到来。

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