雖然基于激光的3D 打印技術(shù)極大釋放了設(shè)計(jì)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(dǎo)致缺陷和較差機(jī)械性能的缺點(diǎn)。近期，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員通過(guò)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(lái)解決這個(gè)問題。

　　9 月在Science Advances 發(fā)表的一篇論文中，研究人員試驗(yàn)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(dú)特的特性，如自愈和非衍射。他們發(fā)現(xiàn)應(yīng)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(huì)加劇孔隙率誘導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)大的熱梯度和復(fù)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(dāng)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(wú)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(xué)家Thej Tumkur Umanath 說(shuō)，“對(duì)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(shè)計(jì)熱剖面并降低熱梯度，以幫助材料的微結(jié)構(gòu)晶粒細(xì)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(shuō)，貝塞爾光束比傳統(tǒng)的高斯光束形狀顯著擴(kuò)展了激光掃描參數(shù)空間，其結(jié)果是理想的熔池不會(huì)太淺，也不會(huì)出現(xiàn)鎖孔現(xiàn)象。激光在構(gòu)建過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸汽并在金屬基板上產(chǎn)生深腔。鎖孔會(huì)在熔池中產(chǎn)生氣泡，形成氣孔并導(dǎo)致成品部件的機(jī)械性能下降。

　　傳統(tǒng)光束的另一個(gè)缺點(diǎn)是傳播時(shí)容易發(fā)生衍射（擴(kuò)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(shí)驗(yàn)中觀察到，相對(duì)于激光焦點(diǎn)使用貝塞爾光束來(lái)放置工件增加了公差。放置對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，這些系統(tǒng)通常依賴昂貴且敏感的技術(shù)，在每次沉積金屬粉末層時(shí)將正在進(jìn)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(xué)應(yīng)用，但光束形狀的工程方法在基于激光的制造應(yīng)用中并不常見，”Tumkur 解釋說(shuō)， “我們的工作通過(guò)結(jié)合設(shè)計(jì)師光束形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)的控制，解決了金屬增材制造中光學(xué)物理和材料工程之間看似脫節(jié)的問題。”

　　研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將激光穿過(guò)兩個(gè)錐形透鏡以產(chǎn)生甜甜圈形狀來(lái)對(duì)光束進(jìn)行整形，然后將其通過(guò)額外的光學(xué)器件和掃描儀，在中心光束周圍形成“環(huán)”。通過(guò)高速成像，研究人員研究了熔池的動(dòng)力學(xué)，觀察到熔池湍流的顯著減少和 “飛濺”的減輕——在構(gòu)建過(guò)程中從激光路徑飛出的金屬熔融顆粒——這通常會(huì)導(dǎo)致孔隙形成。在機(jī)械研究和模擬中，研究團(tuán)隊(duì)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(jiān)固并且具有更強(qiáng)大的拉伸性能。

　　“長(zhǎng)期以來(lái)，業(yè)界一直在尋求提高對(duì)LPBF 過(guò)程控制的能力，以最大限度地減少缺陷，”該項(xiàng)目的首席研究員Ibo Matthews 說(shuō)，“在激光束中引入復(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質(zhì)量。”

　　LLNL 計(jì)算機(jī)科學(xué)家Saad Khairallah 使用多物理場(chǎng)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(guò)比較產(chǎn)生的軌跡，該團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了更好的能量分布，避免了高斯光束中的“熱點(diǎn)”產(chǎn)生，后者會(huì)產(chǎn)生深熔池并形成孔隙。

　　Khairallah 表示：“模擬可以對(duì)正在發(fā)生的物理學(xué)進(jìn)行詳細(xì)診斷，從而能夠了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后的基本機(jī)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?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)結(jié)合簡(jiǎn)單的光學(xué)元件并節(jié)省了時(shí)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(biāo)準(zhǔn)并超越傳統(tǒng)的制造方法，需要解決在非常短的時(shí)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(rèn)為光束整形確實(shí)是一種可行的方法，因?yàn)榭梢詰?yīng)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(yàn)其他光束形狀工程策略，并計(jì)劃研究復(fù)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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