聚焦到極致的光束！LLNL研究人員通過“整形”激光束來改進LPBF金屬3D打印技術(shù)

2021年9月29日，南極熊獲悉，勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員正在嘗試一種整形激光束的辦法，以求解決傳統(tǒng)金屬3D打印技術(shù)中激光束的弊端。

研究人員希望通過改善激光3D打印過程中常用高斯光束的替代形狀，如激光粉末床熔融（LPBF），來減少金屬部件中可能導(dǎo)致不良機械性能的孔隙率和缺陷。

為了克服這些問題，研究人員正在探索一種被稱為貝塞爾光束的奇異光束形狀如何能夠減少孔隙形成和"鍵合"的可能性。一般來講，成品部件中形成的孔隙往往是由于在熔池中產(chǎn)生氣泡造成的。

LLNL研究科學(xué)家和該研究的主要作者ThejTumkur Umanath說："使用高斯光束很像使用噴火器來烹飪食物，我們難以很好地控制熱量在材料周圍實現(xiàn)沉積。有了貝塞爾光束，我們重新分配了一些遠離中心的能量，這意味著可以設(shè)計熱曲線，減少熱梯度，以幫助微觀結(jié)構(gòu)的晶粒細化，并最終產(chǎn)生更密集的零件和更光滑的表面。

△LLNL的研究人員正在試驗貝塞爾光束，以解決金屬3D打印中的孔隙和缺陷。照片來自Veronica Chen/LLL。

傳統(tǒng)工藝中激光束的弊端

據(jù)了解，大多數(shù)現(xiàn)有的高功率激光系統(tǒng)都采用高斯光束形狀。雖然這種基于激光的3D打印技術(shù)在金屬零件的生產(chǎn)中提高了設(shè)計的復(fù)雜性，但它們也可能導(dǎo)致不理想的孔隙率和潛在的不良機械性能。

近年來，為了改進LPBF 3D打印技術(shù)和避免金屬打印部件的缺陷，科學(xué)家在這一領(lǐng)域進行了相當(dāng)多的研究。這些嘗試包括使用LED而不是激光來熔化粉末，開發(fā)"智能"底板，以及更好地平衡構(gòu)建室中的熱量以減少部件的殘余應(yīng)力和變形。

現(xiàn)在，LLNL團隊正在研究成本相對較低的激光束整形方法如何能夠進一步強化LPBF打印工藝并減少打印金屬部件的孔隙。

△高斯和貝塞爾光束形狀的強度分布。圖片來自《Science Advances》。

高斯光束與貝塞爾光束

據(jù)LLNL的研究人員所講，在LPBF3D打印過程中使用高斯光束會導(dǎo)致大的熱梯度，以及激光與金屬粉末相遇所生成復(fù)雜熔池的不穩(wěn)定性。高斯光束還可能導(dǎo)致鍵合，從而導(dǎo)致成品部件的機械性能下降。

與高斯光束不同，貝塞爾光束是無衍射的，傳播時不會發(fā)散。貝塞爾光束的形狀讓人聯(lián)想到牛眼圖案，除了無衍射外的特點外，還具有其他獨特的特性，如自愈性。

貝塞爾光束的非衍射特性提供了更大的聚焦深度，并增加了對工件在激光焦點方面的位置的承受度。因此，增材公司有可能迭放棄以往昂貴的技術(shù)，因為在每沉積一層金屬粉末后，都需要在激光的聚焦深度內(nèi)重新定位正在進行的構(gòu)建物。

這些特性促使LLNL的研究人員對貝塞爾光束的形狀進行實驗，看看它們是否能克服LPBF 3D打印中一些最緊迫的問題。

Tumkur繼續(xù)說："貝塞爾光束因其非衍射和自愈特性而被廣泛用于成像、顯微鏡和其他光學(xué)應(yīng)用中，但光束形狀工程方法在基于激光的制造應(yīng)用中相當(dāng)少見。我們的工作解決了金屬增材制造領(lǐng)域中光學(xué)物理和材料工程之間似乎存在的脫節(jié)問題，即采用設(shè)計者的光束形狀來實現(xiàn)對熔池動態(tài)的控制。"

△光束整形對熔池尺寸的影響（A-高斯光束，B-貝塞爾光束）。圖片來自《Science Advances》。

實驗光束整形

為了實現(xiàn)貝塞爾光束的形狀，LLML的研究人員讓激光穿過兩個錐形透鏡，產(chǎn)生一個甜甜圈的形狀。然后通過額外的光學(xué)器件和一個掃描儀，在中心光束周圍形成環(huán)形。該裝置被安裝在LLNL先進制造實驗室的一臺商業(yè)3D打印機中，并使用不銹鋼粉末為原料來制造立方體和其他形狀。

為了研究他們的激光束塑形實驗的效果，研究人員使用了高速成像。通過對熔池動態(tài)的觀察顯示，熔池湍流大幅減少，而飛濺物（在制造過程中從激光路徑上飛出的熔融金屬顆粒）得到了明顯緩解。正是飛濺物傾向于導(dǎo)致金屬3D打印部件中的孔隙形成，因此，這種不良影響的減少可能是在改進LPBF工藝方面邁出的積極一步。

這項研究的首席研究員Ibo Matthews說："工業(yè)界長期以來一直在尋求提高對LPBF工藝的控制能力，以盡量減少缺陷。為激光束引入復(fù)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品質(zhì)量"。

研究小組還進行了各種機械研究和模擬，發(fā)現(xiàn)使用貝塞爾光束制造的部件比使用傳統(tǒng)的高斯光束制造的部件密度更大、強度更高、拉伸性能更強。

研究人員模擬了高斯光束和貝塞爾光束激光形狀與金屬粉末單軌的相互作用，其中貝塞爾光束顯示出比高斯光束更好的熱梯度。因此，這預(yù)示著更好的微觀結(jié)構(gòu)形成，同時避免產(chǎn)生 "熱聚集點"。

△由固定的（A）高斯和（B）貝塞爾光束生成熔池的高速快照，照明時間=5毫秒。圖片來自《Science Advances》。

光束整形的好處

研究人員試圖通過光束整形來提高LPBF 3D打印金屬零件的質(zhì)量，因為與其他掃描策略相比，它的成本很低。通過納入簡單的光學(xué)元件，該方法可以用很少的成本執(zhí)行，同時否定了用高斯光束構(gòu)建的零件所需的昂貴和耗時的后處理技術(shù)。

Tumkur說："現(xiàn)在非常需要生產(chǎn)堅固和無缺陷的零件，并能以經(jīng)濟有效的方式打印出非常大的結(jié)構(gòu)。為了使3D打印真正與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容，并超越傳統(tǒng)的制造方法，我們需要解決一些發(fā)生在非常短的時間內(nèi)和微觀結(jié)構(gòu)尺度上的基本問題。"

該項目是LLNL實驗室與通用電氣全球研究公司持續(xù)合作的一部分，研究團隊還在試驗其他光束成型技術(shù)。展望未來，研究人員將尋求開發(fā)復(fù)雜的激光束和偏振成形技術(shù)，以改善對打印部件質(zhì)量的控制。

Tumkur繼續(xù)說道："我認(rèn)為光束成型確實是一條路，因為它可以應(yīng)用于打印各種金屬，無處不在，并易于被納入商業(yè)打印系統(tǒng)，而不會像其他替代技術(shù)那樣帶來重大的整合性挑戰(zhàn)。"

關(guān)于這項研究的更多信息可以在《Science Advances》雜志上發(fā)表的題為："Nondiffractive beam shaping for enhanced optothermal controlin metal additive manufacturing"的論文中找到。該研究由T.Voisin, R. Shi, P. Depond, T. Roehling, S. Wu, M. Crumb, J. Roehling, 和G. Guss, T. Tumkur, S. Khairallah, and M. Matthews共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358