增材制造（也被称为3D打印）诞生于20世纪80年代，最初采用紫外光源进行聚合树脂光学固化。过去几十年里，科技的进步使得人们能够通过各类聚合物、粉末甚至金属来制作功能部件。3D打印在多个行业的应用呈爆炸性增长之势，在医疗行业尤为突出，其中许多应用受益于可快速生产供膝关节和髋关节置换手术所用的定制化骨科植入物。例如，牙科就是3D打印最普及的医疗领域之一，常常使用3D打印技术来制作口腔正畸所需的高度定制化牙冠、牙桥和矫正器。

光是一种可定向的能量形式，为3D打印在医疗行业的应用开辟了广阔的空间，从而允许使用激光、高功率LED光源和投影光学系统在生产速度日益加快的情况下可靠地制作高分辨率的特征。最初的机器架构师利用现成的 (OTS) 光学和系统组件，往往需要牺牲部分性能。然而越是复杂的几何结构，其特征更精细，对表面光洁度的要求更高，越需要更高的能源控制以及现场监测和稳定工艺的能力。因而，当前及下一代机器都需要具有高度定制化的光学设计来将光束可重复地高效引导至工作平面。

为了保持工业级3D打印机数小时到数天内稳定运行，工程师们面临着许多光学器件设计和选择方面的高难度挑战（例如，玻璃类型、表面形状、光学涂层、制造公差）。这些机器通常需要通过严格的认证程序，并符合医用植入物规范标准。本文涵盖了许多值得工程师们参考的重要技术主题，包括：

将光束最大限度转移至粉末床上

如何通过光学元件及其功能来提高零部件制造精密度

光学器件上的所有光学涂层对于确保光束效率的重要性

光学实时闭环计量对于零部件生产验证的重要性

打印分辨率是推动增材制造的一个关键因素。使用钛和工程聚合物等各种材料以精确的尺寸打印零部件，使之具有规定的表面光洁度和密度特性，能够最大限度减少后续处理步骤，例如机械加工和抛光。这使得根据患者量身定制打印部件不仅相比传统减材制造工艺变得速度更快，而且使得成本由于供应链的去中心化或分散化而得以降低。定向激光能量和投影系统广泛应用于表1所述的增材制造光学系统。通过适当的光学元件，这些机器可根据特定的光斑尺寸和强度均一性要求来定制光束以获得所需的能量分布 ，从而加快构建速度，改善零件质量。

基于粉末床融合技术的金属增材制造工艺是光学组件和系统设计决定零部件整体质量的典型示例。激光粉床融合 (LPBF) 系统的基本光学布局如图1所示。高功率激光源（通常为光纤激光器）发射1 kW或更高功率的近1070 nm光波穿过光纤准直器和聚焦元件，再通过多轴扫描镜定向至工作平面。聚焦光斑的质量和稳定性直接受所选光学和机械元件影响。

在使用高功率激光器的工艺中，哪怕最细微的散射能量也不容忽视，否则可能会在光学元件和支撑机构内部同时引起剧烈的热效应。金属力学内部的热膨胀可能导致元件位置出现位移或漂移，因此需要格外注意材料选择和空冷或水冷。光学器件内部存在一种因玻璃受热引起的“热透镜”现象，影响透镜形状和材料折射率。热透镜效应是粉末床室入口处以及光束路径高光强区域附近元件常见的问题。如果材料和涂层选择不当，热透镜效应可能导致激光光斑焦点随空间和时间漂移，进而导致能量分布低于预期和成品孔隙率过高。

为避免内部散射，设计工程师宜选择低杂质含量的基板材料，配合超低吸收率的高性能电介质涂层。Corning 79800等高性能熔融石英玻璃就是其中一种高纯度玻璃，也是千瓦级激光系统核心位置常用的几种材料之一。透镜设计越精密，性能越好，可能慎重选择玻璃材质来调整折射率。工程师可选择不同折射率温度系数的玻璃类型作为一种抵消热效应影响的手段，类似于使用冕牌玻璃和火石玻璃抵消双透镜色散分布的做法。