聚焦到极致的光束！LLNL研究人员通过“整形”激光束来改进LPBF金属3D打印技术
时间:2021-09-30 08:03 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
2021年9月29日，劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员正在尝试一种整形激光束的办法，以求解决传统金属3D打印技术中激光束的弊端。研究人员希望通过改善激光3D打印过程中常用高斯光束的替代形状，如激光粉末床熔融（LPBF），来减少金属部件中可能导致不良机械性能的孔隙率和缺陷。为了克服这些问题，研究人员正在探索一种被称为贝塞尔光束的奇异光束形状如何能够减少孔隙形成和"键合"的可能性。一般来讲，成品部件中形成的孔隙往往是由于在熔池中产生气泡造成的。
LLNL研究科学家和该研究的主要作者ThejTumkur
Umanath说："使用高斯光束很像使用喷火器来烹饪食物，我们难以很好地控制热量在材料周围实现沉积。有了贝塞尔光束，我们重新分配了一些远离中心的能量，这意味着可以设计热曲线，减少热梯度，以帮助微观结构的晶粒细化，并最终产生更密集的零件和更光滑的表面。
△LLNL的研究人员正在试验贝塞尔光束，以解决金属3D打印中的孔隙和缺陷。照片来自Veronica Chen/LLL。
传统工艺中激光束的弊端
据了解，大多数现有的高功率激光系统都采用高斯光束形状。虽然这种基于激光的3D打印技术在金属零件的生产中提高了设计的复杂性，但它们也可能导致不理想的孔隙率和潜在的不良机械性能。近年来，为了改进LPBF 3D打印技术和避免金属打印部件的缺陷，科学家在这一领域进行了相当多的研究。这些尝试包括使用LED而不是激光来熔化粉末，开发"智能"底板，以及更好地平衡构建室中的热量以减少部件的残余应力和变形。
现在，LLNL团队正在研究成本相对较低的激光束整形方法如何能够进一步强化LPBF打印工艺并减少打印金属部件的孔隙。
△高斯和贝塞尔光束形状的强度分布。图片来自《Science Advances》。
高斯光束与贝塞尔光束
据LLNL的研究人员所讲，在LPBF3D打印过程中使用高斯光束会导致大的热梯度，以及激光与金属粉末相遇所生成复杂熔池的不稳定性。高斯光束还可能导致键合，从而导致成品部件的机械性能下降。与高斯光束不同，贝塞尔光束是无衍射的，传播时不会发散。贝塞尔光束的形状让人联想到牛眼图案，除了无衍射外的特点外，还具有其他独特的特性，如自愈性。
贝塞尔光束的非衍射特性提供了更大的聚焦深度，并增加了对工件在激光焦点方面的位置的承受度。因此，增材公司有可能迭放弃以往昂贵的技术，因为在每沉积一层金属粉末后，都需要在激光的聚焦深度内重新定位正在进行的构建物。这些特性促使LLNL的研究人员对贝塞尔光束的形状进行实验，看看它们是否能克服LPBF 3D打印中一些最紧迫的问题。
Tumkur继续说："贝塞尔光束因其非衍射和自愈特性而被广泛用于成像、显微镜和其他光学应用中，但光束形状工程方法在基于激光的制造应用中相当少见。我们的工作解决了金属增材制造领域中光学物理和材料工程之间似乎存在的脱节问题，即采用设计者的光束形状来实现对熔池动态的控制。"
△光束整形对熔池尺寸的影响（A-高斯光束，B-贝塞尔光束）。图片来自《Science Advances》。
实验光束整形
为了实现贝塞尔光束的形状，LLML的研究人员让激光穿过两个锥形透镜，产生一个甜甜圈的形状。然后通过额外的光学器件和一个扫描仪，在中心光束周围形成环形。该装置被安装在LLNL先进制造实验室的一台商业3D打印机中，并使用不锈钢粉末为原料来制造立方体和其他形状。
为了研究他们的激光束塑形实验的效果，研究人员使用了高速成像。通过对熔池动态的观察显示，熔池湍流大幅减少，而飞溅物（在制造过程中从激光路径上飞出的熔融金属颗粒）得到了明显缓解。正是飞溅物倾向于导致金属3D打印部件中的孔隙形成，因此，这种不良影响的减少可能是在改进LPBF工艺方面迈出的积极一步。
这项研究的首席研究员Ibo Matthews说："工业界长期以来一直在寻求提高对LPBF工艺的控制能力，以尽量减少缺陷。为激光束引入复杂的结构增加了灵活性，以精确控制激光与材料的相互作用、热沉积以及最终的打印品质量"。
研究小组还进行了各种机械研究和模拟，发现使用贝塞尔光束制造的部件比使用传统的高斯光束制造的部件密度更大、强度更高、拉伸性能更强。
研究人员模拟了高斯光束和贝塞尔光束激光形状与金属粉末单轨的相互作用，其中贝塞尔光束显示出比高斯光束更好的热梯度。因此，这预示着更好的微观结构形成，同时避免产生 "热聚集点"。
△由固定的（A）高斯和（B）贝塞尔光束生成熔池的高速快照，照明时间=5毫秒。图片来自《Science Advances》。
光束整形的好处
研究人员试图通过光束整形来提高LPBF 3D打印金属零件的质量，因为与其他扫描策略相比，它的成本很低。通过纳入简单的光学元件，该方法可以用很少的成本执行，同时否定了用高斯光束构建的零件所需的昂贵和耗时的后处理技术。
Tumkur说："现在非常需要生产坚固和无缺陷的零件，并能以经济有效的方式打印出非常大的结构。为了使3D打印真正与工业标准兼容，并超越传统的制造方法，我们需要解决一些发生在非常短的时间内和微观结构尺度上的基本问题。"
该项目是LLNL实验室与通用电气全球研究公司持续合作的一部分，研究团队还在试验其他光束成型技术。展望未来，研究人员将寻求开发复杂的激光束和偏振成形技术，以改善对打印部件质量的控制。
Tumkur继续说道："我认为光束成型确实是一条路，因为它可以应用于打印各种金属，无处不在，并易于被纳入商业打印系统，而不会像其他替代技术那样带来重大的整合性挑战。"
关于这项研究的更多信息可以在《Science
Advances》杂志上发表的题为："Nondiffractive beam shaping for enhanced optothermal
controlin metal additive manufacturing"的论文中找到。该研究由T.Voisin, R. Shi, P.
Depond, T. Roehling, S. Wu, M. Crumb, J. Roehling, 和G. Guss, T. Tumkur,
S. Khairallah, and M. Matthews共同撰写。
相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358
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