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(guān)注刀具的大小類似的是我們需要關(guān)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。

高質(zhì)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(tǒng)新的光學(xué)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(tǒng)是否會催生SLM設(shè)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(zhuǎn)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(dǎo)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(jié)量取決于粉末的熱導(dǎo)率和激光的能量。

圖片：激光點和鄰近被加熱的材料

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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

振鏡式激光定位和聚焦

大多數(shù)激光熔化系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)和動態(tài)變焦系統(tǒng)。

圖片：galva振鏡

F-theta鏡頭使得實現(xiàn)高速加工成為可能，然而在高激光功率情況下，F(xiàn)-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(dǎo)致在每個表面的入射功率高達0.3%的熱產(chǎn)生。隨著激光功率的增加，由于透鏡組件中的溫度變化會導(dǎo)致焦距的變化。而且多激光系統(tǒng)中通常需要更多的F-theta鏡頭，這也帶來了設(shè)備成本的上升和設(shè)備復(fù)雜性的問題。

動態(tài)聚焦系統(tǒng)

動態(tài)聚焦系統(tǒng)系統(tǒng)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(diào)整光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)。

－焦距變化是伺服控制的。

－可以刻意去聚焦激光來創(chuàng)建不同的處理效果。

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

－從聚焦伺服反饋來獲得加工過程的可追溯性。

－動態(tài)聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高，更適合多激光系統(tǒng)設(shè)備。

當然，動態(tài)聚焦系統(tǒng)的安裝校準是項技術(shù)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(dǎo)致顯著的去聚焦，另外熱控制也是需要考慮的因素之一。

（來源：感謝雷尼紹全球方案中心總監(jiān)：Marc Saunders）

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