雷射積層製造系統技術的演進

By Nicolas Meunier, Ophir Business Development Manager

MKS Instruments 很早就意識到，在基於雷射的 AM(Additive Manufacturing) 工藝中測量雷射光束將是影響生產效率的關鍵。

四年前，Ophir推出了第一款可以在沒有任何接觸的情況下量測建築平面(building plane)上雷射光束焦散的測量設備。
之後推出了適用於 AM 應用的創新功率計 Ophir Ariel。

然後在慕尼黑舉行的 2022 年Laser World光電展上，Ophir推出了 Ophir BeamPeek ™，這是一種集成量測系統，將各種 NIR 和綠光雷射的量測任務整合到一個強大的系統中。

Ophir BeamPeek ™，整合功率測量和光束分析

在選擇性雷射熔化(LPBF) 工藝中，金屬粉末使用雷射光束逐層選擇性地熔化。層厚通常為 30 至 120 µm，精確維持預設的光束參數是確保生成結構穩定性的必要先決條件。但是，如何在設備上檢查所有相關的光束參數呢？
事實上，這個問題長期以來一直是工程師的挑戰，尤其是在LPBF中使用的雷射功率不斷增加的情況下。

“狹窄的空間、設備中的金屬粉末和高功率 “ 這些都是測量雷射光束的限制條件!
Ophir 積層製造、汽車和大功率業務發展經理 Nicolas Meunier 解釋道。 “現在，史上第一次Ophir BeamPeek 可以一口氣量測出光束輪廓、焦點和功率。對於技術人員和用戶來說，這極大地簡化了積層製造的參數監控手法

無需主動冷卻的創新技術

雷射作為加工工具的優點是可以通過使用正確的光學元件靈活地塑造，也可以根據材料和應用選擇不同的雷射參數，用於LPBF的雷射功率一直增加。Nicolas Meunier 解釋了為什麼在測量方面造成障礙：“要測量千瓦範圍內的雷射功率，通常需要水冷傳感器。但是，設備腔體內的供水有風險，因此難以實施。 對於 BeamPeek 系統，我們開發了一種新技術來避免這種情況。

原理是，雷射光束撞擊一個可更換光束收集器，該元件是一個獨立的插入式單元。 產生的熱量被固體鋁塊吸收。 通過這種方式，一個插入式單元可以測量高達 1kW 的激光功率長達兩分鐘，而且無需任何主動冷卻。
如果在測量雷射光束時過熱，設備上的警告指示燈會亮起。 插入式單元可以輕鬆移除、外部冷卻，然後重新插入。
或者，可以隨時準備第二個插件單元； 插入後，立即進行下一次測量。

圖 1：Ophir BeamPeek ™ 有一個可更換的被動冷卻光束傾卸托盤，可快速吸收測量過程中產生的熱量。

 

數秒內完成多項測量

從技術上講，BeamPeek 測量設備將功率測量與光束輪廓分析結合。 因此，開發人員、服務技術人員和專家都可以全面了解雷射光參數。
光束通過一個光圈進入測量設備的內部，然後分束器將一部分引導至相機，另一部分引導至功率計，其餘部分（約 96% 的光束）引導至光束收集器。 攝像頭捕捉光束的整體輪廓，並通過 USB 接口將數據傳送到分析軟體。

在短短三秒鐘內，所有相關光束參數都量測出來，包括發散度、焦點位置和焦點大小。 此外，內建的功率傳感器將光束的功率報告給分析軟體。

 

應用優勢

快速測量雷射光束 - 尤其是在生產環境 - 不需要復雜的準備工作。這適用於所有行業，”Nicolas Meunier補充道，“對於LPBF，我們特別為它設計，以便所有活動 測量設備內部的組件受到保護，不受灰塵和顆粒的影響。” 光束可以在每次構建工作後直接測量，而無需先清潔腔室。

除了 1030-1080nm 的 NIR 激光外，BeamPeek 系統還可以測量波長為 532nm 的綠光，展現儀器進一步的靈活性。 例如，綠色雷射用於超細銅結構的增材製造。
對於基層製造系統的設備商來說，BeamPeek非常適合在現場進行測量。

Ophir BeamPeek 完整了 MKS 用於基層製造領域的設備組合。

圖 2：Ophir Ariel 功率計在封閉的空間量測雷射功率。

Ophir Ariel 功率計: 與時俱進的量測儀器

MKS 在優化LPBF工藝方面邁出了重要一步：Ophir Ariel 功率計，於 2021 年初推出。它是一種在基層製造的封閉腔體室內自主運行的設備。 它既不需要電源連接也不需要有線監視器來進行測量。 在整個測量過程中，量測數據可以直接在顯示器上讀取或通過藍牙傳輸。

有史以來第一次，Ariel 功率計允許用戶在施工作業之間定期檢查雷射光的功率。如果檢測到任何異常，可以快速識別和消除原因。這意味著由於功率變化導致的生產錯誤是可以避免的，”Nicolas Meunier 繼續說道: 我們的測量儀器不僅非常適合檢測異常情況，而且還適合對雷射系統進行定期維護。透過長時間量測所收集的大量參數，我們可以了解設備的光束品質，進而改善生產質量。