雖然基于激光的3D 打印技術極大釋放了設計自由度，徹底改變了金屬零件的生產(chǎn)，但金屬打印的激光光束仍然具有可能導致缺陷和較差機械性能的缺點。近期，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員通過探索激光粉末床融合（LPBF）等高功率激光打印工藝中常用的高斯光束的替代形狀，來解決這個問題。

　　9 月在Science Advances 發(fā)表的一篇論文中，研究人員試驗了被稱為貝塞爾光束的奇異光束形狀——讓人聯(lián)想到靶心圖案——它具有許多獨特的特性，如自愈和非衍射。他們發(fā)現(xiàn)應用這些類型的光束降低了形成孔隙的可能性，以往在LPBF 中使用高斯光束會加劇孔隙率誘導現(xiàn)象。

　　研究結(jié)果表明，貝塞爾光束可以緩解LBPF 的主要問題：激光與金屬粉末相遇的地方會出現(xiàn)大的熱梯度和復雜的熔池不穩(wěn)定性。這些問題主要是由高斯光束形狀引起，而這在當前的大多數(shù)高功率激光系統(tǒng)里非常普遍。

　　“使用高斯光束很像使用火焰噴射器烹飪食物，你無法控制材料周圍的熱量沉積，”論文的主要作者和LLNL 研究科學家Thej Tumkur Umanath 說，“對于貝塞爾光束，我們將部分能量從中心重新分配，這意味著可以設計熱剖面并降低熱梯度，以幫助材料的微結(jié)構(gòu)晶粒細化，并最終產(chǎn)生更致密的部件和更光滑的表面。”

　　正如研究人員Tumkur 所說，貝塞爾光束比傳統(tǒng)的高斯光束形狀顯著擴展了激光掃描參數(shù)空間，其結(jié)果是理想的熔池不會太淺，也不會出現(xiàn)鎖孔現(xiàn)象。激光在構(gòu)建過程中會產(chǎn)生強烈的蒸汽并在金屬基板上產(chǎn)生深腔。鎖孔會在熔池中產(chǎn)生氣泡，形成氣孔并導致成品部件的機械性能下降。

　　傳統(tǒng)光束的另一個缺點是傳播時容易發(fā)生衍射（擴散）。貝塞爾光束由于非衍射的特性可以提供更大的焦深。因此，研究人員在實驗中觀察到，相對于激光焦點使用貝塞爾光束來放置工件增加了公差。放置對于工業(yè)系統(tǒng)來說是一項挑戰(zhàn)，這些系統(tǒng)通常依賴昂貴且敏感的技術，在每次沉積金屬粉末層時將正在進行的構(gòu)建，定位在聚焦的光束焦深內(nèi)。

　　“貝塞爾光束因非衍射和自愈特性而被廣泛用于成像、顯微鏡和其他光學應用，但光束形狀的工程方法在基于激光的制造應用中并不常見，”Tumkur 解釋說， “我們的工作通過結(jié)合設計師光束形狀來實現(xiàn)對熔池動力學的控制，解決了金屬增材制造中光學物理和材料工程之間看似脫節(jié)的問題。”

　　研究團隊通過將激光穿過兩個錐形透鏡以產(chǎn)生甜甜圈形狀來對光束進行整形，然后將其通過額外的光學器件和掃描儀，在中心光束周圍形成“環(huán)”。通過高速成像，研究人員研究了熔池的動力學，觀察到熔池湍流的顯著減少和 “飛濺”的減輕——在構(gòu)建過程中從激光路徑飛出的金屬熔融顆粒——這通常會導致孔隙形成。在機械研究和模擬中，研究團隊還發(fā)現(xiàn)用貝塞爾梁建造的零件比用傳統(tǒng)高斯梁建造的結(jié)構(gòu)更致密、更堅固并且具有更強大的拉伸性能。

　　“長期以來，業(yè)界一直在尋求提高對LPBF 過程控制的能力，以最大限度地減少缺陷，”該項目的首席研究員Ibo Matthews 說，“在激光束中引入復雜的結(jié)構(gòu)增加了靈活性，以精確控制激光與材料的相互作用、熱沉積以及最終的打印質(zhì)量。”

　　LLNL 計算機科學家Saad Khairallah 使用多物理場代碼模擬高斯和貝塞爾光束激光形狀與金屬粉末材料的相互作用。通過比較產(chǎn)生的軌跡，該團隊發(fā)現(xiàn)貝塞爾光束比高斯光束表現(xiàn)出更好的熱梯度，促進了材料形成更好的微觀結(jié)構(gòu)。他們還使用貝塞爾光束實現(xiàn)了更好的能量分布，避免了高斯光束中的“熱點”產(chǎn)生，后者會產(chǎn)生深熔池并形成孔隙。

　　Khairallah 表示：“模擬可以對正在發(fā)生的物理學進行詳細診斷，從而能夠了解實驗結(jié)果背后的基本機制。”作為提高金屬3D 打印零件質(zhì)量的眾多途徑之一，光束整形是比替代掃描策略更便宜的選擇，因為它可以通過結(jié)合簡單的光學元件并節(jié)省了時間和成本。用高斯光束構(gòu)建的零件通常還需要后處理。

　　Tumkur 談到，為了使3D 打印真正符合工業(yè)標準并超越傳統(tǒng)的制造方法，需要解決在非常短的時間范圍和微觀結(jié)構(gòu)尺度下發(fā)生的一些基本問題。他認為光束整形確實是一種可行的方法，因為可以應用于各種金屬打印，并且還能納入商業(yè)打印系統(tǒng)。作為與GE Global Research持續(xù)合作的一部分， LLNL 的研究人員目前正在試驗其他光束形狀工程策略，并計劃研究復雜的激光光束和偏振成形方法，以更好地控制打印部件的質(zhì)量。

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