在機械加工過程中，你可以通過自己選擇的刀具來制造出你所能制造出的細節(jié)特征。刀具的大小決定了零件的孔和槽的最小尺寸。在增材制造過程中，與關注刀具的大小類似的是我們需要關注激光光斑大小。激光點加熱金屬粉末，每個激光點創(chuàng)建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結構。

　　高質量的制造要求的一致性，控制和可追溯性。動態(tài)束聚焦提供從激光熔化開始到不同的溫度情況下嚴格的聚焦控制，使得選擇性激光熔化系統新的光學方案可以更一致的控制激光加工條件。

　　本期，一起來看動態(tài)聚焦是怎么回事？一起來思考動態(tài)變焦系統是否會催生SLM設備走向更大功率、更多激光頭？

　　小改變、大突破

　　激光熔化的基本知識

　　下面圖像顯示了激光能量加熱的粉末顆粒，以及熱量如何擴散到鄰近的粉末。為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。所以最小的制造尺寸一般比激光斑要大，超出激光點的燒結量取決于粉末的熱導率和激光的能量。

　　圖片：激光點和鄰近被加熱的材料

　　所擴散的激光能量和熔池的激光掃描速度都是經過精心調整和控制的，這樣才能達到一致的金屬合金的特性和層厚度。激光束的聚焦是熔化過程中影響合金性能的關鍵，要達到一致的過程就依賴于控制激光點大小，就需要使得激光能量密度和轉移到鄰近粉末的能量是一致的。

　　這樣就需要一個清晰聚焦的光束，任何聚焦的不集中都會導致能量傳達到熔化區(qū)以外的材料帶來不充分的粉末熔化，并可能導致的成品尺寸誤差和表面光潔度差。如果聚焦光斑尺寸大幅度增加，那么可能導致成品組件含大量不完全熔化粉末和難以控制的材料性能。

　　聚焦的挑戰(zhàn)

　　理想的激光束具有高斯強度分布，這樣，能量最激烈的位置是激光中心的光束，并向其邊緣降低能量分布。當我們遠離這個焦點，光束的橫截面面積的增加，達到兩倍的最小尺寸在一個距離的最小尺寸稱為瑞利長度（在下圖中）：

　　圖片來自維基百科

　　在光學，特別是激光學中，我們設鞍腰部（如圖中所示的最低處）為A，其橫截面面積為a，沿光的傳播方向，當橫截面面積因為散射達到2a時，我們設此處為B，瑞利長度或者瑞利射程正是指從A到B的長度（即圖中所示ZR)。相關參數是共軛焦距，b，其長度是兩倍的瑞利長度。當光波按高斯模型傳播的時候，瑞利長度則顯得非常重要。在瑞利長度處，光斑半徑增大為鞍部半徑的1.414倍，面積增加為鞍部光斑面積的2倍,這樣光的能量密度就大大降低了。

　　振鏡式激光定位和聚焦

　　大多數激光熔化系統使用電流計掃描振鏡(galvanometric scanner），這意味著對于遠離熔池中心的位置，激光到達熔池的距離越遠，而如何精確控制激光束焦距光束角的精確變化對于加工結果來說變得尤為重要。這樣做有兩種主要的方法：passive F-theta鏡頭系統和動態(tài)變焦系統。

　　圖片：galva振鏡

　　F-theta鏡頭使得實現高速加工成為可能，然而在高激光功率情況下，F-Theta鏡頭又面臨著一系列的局限性，包括為了避免在裝配過程中的雜散光，使用抗反射涂層，但這些可以導致在每個表面的入射功率高達0.3%的熱產生。隨著激光功率的增加，由于透鏡組件中的溫度變化會導致焦距的變化。而且多激光系統中通常需要更多的F-theta鏡頭，這也帶來了設備成本的上升和設備復雜性的問題。

　　動態(tài)聚焦系統

　　動態(tài)聚焦系統系統是通過在galva振鏡的上游激光光束線中放置更小的鏡頭，來調整光學系統焦距的變化。其中雷尼紹的RenAM 500M配備了這樣的動態(tài)聚焦系統。

　　動態(tài)聚焦系統帶來近似拋物線的焦距變化所需要的聚焦糾正，并創(chuàng)造了重要的優(yōu)勢：

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　?。梢钥桃馊ゾ劢辜す鈦韯?chuàng)建不同的處理效果。

　　－較少的光學元件和防反射涂層，動態(tài)聚焦系統比F-theta鏡頭產生更少的不必要的熱量。

　?。瓘木劢顾欧答亖慝@得加工過程的可追溯性。

　?。瓌討B(tài)聚焦系統結構緊湊，性價比高，更適合多激光系統設備。

　　當然，動態(tài)聚焦系統的安裝校準是項技術活，聚焦鏡頭需要對準光軸保證準確聚焦，即便是小的對準誤差都可以導致顯著的去聚焦，另外熱控制也是需要考慮的因素之一。