科學(xué)家探索使用貝塞爾光束來(lái)改善3D金屬打印的孔隙和缺陷問(wèn)題
時(shí)間：2021-10-12 14:43 來(lái)源：未知 作者：admin 閱讀：次
激光束的金屬3D打印雖發(fā)展令人振奮，但仍然存在諸多缺陷，機(jī)械性能難以保證。LLNL的研究人員正在探索用貝塞爾光束進(jìn)行光束整形，助力3D打印的優(yōu)化、確保質(zhì)量可控以及性能穩(wěn)定！雖然激光3D打印技術(shù)通過(guò)極大地?cái)U(kuò)展設(shè)計(jì)復(fù)雜性而徹底改變了金屬零件的生產(chǎn)，但不可否認(rèn)傳統(tǒng)上用于金屬打印的激光束尚不完美，可能導(dǎo)致缺陷和較差的機(jī)械性能。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員正在探索高功率激光打印（如粉末床激光熔融LPBF）中常用的高斯光束的替代形狀，以解決此問(wèn)題。他們的最新研究被發(fā)表在《Science
Advances》上。
研究人員用貝塞爾光束這一形狀獨(dú)特的光束進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，此光束具有特殊的無(wú)衍射及自愈性。研究發(fā)現(xiàn)，這種光束的應(yīng)用降低了孔隙和“匙孔”形成的可能性，LPBF中高斯光束的應(yīng)用造成了“匙孔”這種氣孔誘導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)。
該項(xiàng)工作表明，貝塞爾光束等替代形狀可以緩解LBPF技術(shù)中的主要問(wèn)題——激光與金屬粉末相遇時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大熱梯度和不穩(wěn)定的復(fù)雜熔池。這些問(wèn)題主要是由高功率激光系統(tǒng)輸出的高斯光束形狀引起的。
LLNL研究科學(xué)家、該研究的主要作者 Tumkur Umanath說(shuō): “使用高斯光束特別像用噴火器來(lái)烹飪食物——難以很好地控制熱量在目標(biāo)材料周?chē)练e。使用貝塞爾光束，我們可將一部分能量從中心重新分散出去，這意味著我們可以設(shè)計(jì)熱剖面、降低熱梯度，以助力微觀結(jié)構(gòu)晶粒細(xì)化，最終形成更光滑的表面、獲得更致密的元件。”
貝塞爾光束超越了傳統(tǒng)的高斯光束形狀，顯著擴(kuò)展了激光掃描參數(shù)，避免了傳統(tǒng)光束帶來(lái)的諸多問(wèn)題。研究的預(yù)期結(jié)果是熔池不會(huì)太淺，也不會(huì)出現(xiàn)匙孔。在傳統(tǒng)光束中，激光會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸氣，并在構(gòu)建過(guò)程中在金屬基底中形成一個(gè)深腔。匙孔會(huì)在熔池中產(chǎn)生氣泡，形成氣孔，導(dǎo)致成品零件的機(jī)械性能下降。
傳統(tǒng)光束的另一個(gè)缺點(diǎn)是它們?cè)趥鞑r(shí)易衍射，而貝塞爾光束因其非衍射特性提供了更大的焦深。研究人員使用貝塞爾光束時(shí)觀察到工件相對(duì)于激光焦點(diǎn)的貼裝公差增加。對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，貼裝是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楣I(yè)系統(tǒng)通常依賴昂貴且敏感的技術(shù)，在每層金屬粉末沉積時(shí)，將其定位在聚焦光束的焦深內(nèi)。
Tumkur解釋道：“貝塞爾光束因其無(wú)衍射和自修復(fù)特性，已被廣泛應(yīng)用于成像、顯微鏡和其他光學(xué)應(yīng)用中，但光束整形在激光制造應(yīng)用中還未普及。我們的研究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脫節(jié)的問(wèn)題，通過(guò)整合、設(shè)計(jì)光束形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)的控制。”
LLNL團(tuán)隊(duì)通過(guò)讓激光穿過(guò)兩個(gè)圓錐形透鏡來(lái)對(duì)光束進(jìn)行“整形”，然后讓它穿過(guò)其他光學(xué)器件和掃描器，在中心光束周?chē)纬森h(huán)狀。研究人員使用實(shí)驗(yàn)室的商用印刷機(jī)，用該實(shí)驗(yàn)裝置從不銹鋼粉末中打印出了立方體和其他形狀。通過(guò)高速成像，研究人員研究了熔池動(dòng)力學(xué)，觀察到熔池湍流大幅減少、“飛濺”有所緩解。飛濺是指熔融金屬顆粒從激光路徑上飛出，通常會(huì)導(dǎo)致孔隙的形成。
在機(jī)械研究和模擬中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，用貝塞爾光束構(gòu)建的零件比用傳統(tǒng)高斯光束構(gòu)建的結(jié)構(gòu)更致密、更堅(jiān)固，并且具有更優(yōu)秀的拉伸性能。該項(xiàng)目的首席研究員Ibo Matthews表示: “工業(yè)界長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋求提高對(duì)LPBF流程的控制能力，以最大限度地減少缺陷。在光束中引入復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增加了靈活性，可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LLNL開(kāi)發(fā)的multiphysics代碼ALE3D來(lái)模擬高斯和貝塞爾光束激光形狀與金屬粉末材料單個(gè)軌跡的相互作用。通過(guò)比較軌跡，他們發(fā)現(xiàn)貝塞爾光束比高斯光束表現(xiàn)出更好的熱梯度，推動(dòng)更好顯微結(jié)構(gòu)的形成。與此同時(shí)，他們還利用貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)了更好的能量分布，避免了高斯光束中“熱點(diǎn)”的形成，一旦形成“熱點(diǎn)”，會(huì)產(chǎn)生深熔池并形成孔隙。
“光束整形只是LLNL正在研究的提高3D打印金屬零件質(zhì)量的諸多途徑其中的一個(gè)，該方法通過(guò)整合簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，可以減少高斯光束制造零件通常需要的后處理技術(shù)所涉及的費(fèi)用、縮短時(shí)間，比交替掃描成本更具明顯優(yōu)勢(shì)。堅(jiān)固且無(wú)缺陷的零件生產(chǎn)以及以經(jīng)濟(jì)高效的方式印刷大型結(jié)構(gòu)是大勢(shì)所趨。為了使3D打印真正與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容、超越傳統(tǒng)的制造方法、避免交替掃描技術(shù)帶來(lái)的集成性挑戰(zhàn)，需要不斷探索光束整形，使其廣泛應(yīng)用于各種金屬的印刷，并將其納入商業(yè)印刷系統(tǒng)。”
研究人員用貝塞爾光束這一形狀獨(dú)特的光束進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，此光束具有特殊的無(wú)衍射及自愈性。研究發(fā)現(xiàn)，這種光束的應(yīng)用降低了孔隙和“匙孔”形成的可能性，LPBF中高斯光束的應(yīng)用造成了“匙孔”這種氣孔誘導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)。
該項(xiàng)工作表明，貝塞爾光束等替代形狀可以緩解LBPF技術(shù)中的主要問(wèn)題——激光與金屬粉末相遇時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大熱梯度和不穩(wěn)定的復(fù)雜熔池。這些問(wèn)題主要是由高功率激光系統(tǒng)輸出的高斯光束形狀引起的。
LLNL研究科學(xué)家、該研究的主要作者 Tumkur Umanath說(shuō): “使用高斯光束特別像用噴火器來(lái)烹飪食物——難以很好地控制熱量在目標(biāo)材料周?chē)练e。使用貝塞爾光束，我們可將一部分能量從中心重新分散出去，這意味著我們可以設(shè)計(jì)熱剖面、降低熱梯度，以助力微觀結(jié)構(gòu)晶粒細(xì)化，最終形成更光滑的表面、獲得更致密的元件。”
各光束轉(zhuǎn)換(左下為貝塞爾光束輸出） 來(lái)源：www.wnlo.cn
貝塞爾光束超越了傳統(tǒng)的高斯光束形狀，顯著擴(kuò)展了激光掃描參數(shù)，避免了傳統(tǒng)光束帶來(lái)的諸多問(wèn)題。研究的預(yù)期結(jié)果是熔池不會(huì)太淺，也不會(huì)出現(xiàn)匙孔。在傳統(tǒng)光束中，激光會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸氣，并在構(gòu)建過(guò)程中在金屬基底中形成一個(gè)深腔。匙孔會(huì)在熔池中產(chǎn)生氣泡，形成氣孔，導(dǎo)致成品零件的機(jī)械性能下降。
傳統(tǒng)光束的另一個(gè)缺點(diǎn)是它們?cè)趥鞑r(shí)易衍射，而貝塞爾光束因其非衍射特性提供了更大的焦深。研究人員使用貝塞爾光束時(shí)觀察到工件相對(duì)于激光焦點(diǎn)的貼裝公差增加。對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，貼裝是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楣I(yè)系統(tǒng)通常依賴昂貴且敏感的技術(shù)，在每層金屬粉末沉積時(shí)，將其定位在聚焦光束的焦深內(nèi)。
Tumkur解釋道：“貝塞爾光束因其無(wú)衍射和自修復(fù)特性，已被廣泛應(yīng)用于成像、顯微鏡和其他光學(xué)應(yīng)用中，但光束整形在激光制造應(yīng)用中還未普及。我們的研究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脫節(jié)的問(wèn)題，通過(guò)整合、設(shè)計(jì)光束形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)的控制。”
LLNL團(tuán)隊(duì)通過(guò)讓激光穿過(guò)兩個(gè)圓錐形透鏡來(lái)對(duì)光束進(jìn)行“整形”，然后讓它穿過(guò)其他光學(xué)器件和掃描器，在中心光束周?chē)纬森h(huán)狀。研究人員使用實(shí)驗(yàn)室的商用印刷機(jī)，用該實(shí)驗(yàn)裝置從不銹鋼粉末中打印出了立方體和其他形狀。通過(guò)高速成像，研究人員研究了熔池動(dòng)力學(xué)，觀察到熔池湍流大幅減少、“飛濺”有所緩解。飛濺是指熔融金屬顆粒從激光路徑上飛出，通常會(huì)導(dǎo)致孔隙的形成。
在機(jī)械研究和模擬中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，用貝塞爾光束構(gòu)建的零件比用傳統(tǒng)高斯光束構(gòu)建的結(jié)構(gòu)更致密、更堅(jiān)固，并且具有更優(yōu)秀的拉伸性能。該項(xiàng)目的首席研究員Ibo Matthews表示: “工業(yè)界長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋求提高對(duì)LPBF流程的控制能力，以最大限度地減少缺陷。在光束中引入復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增加了靈活性，可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
LLNL計(jì)算機(jī)科學(xué)家Saad Khairallah使用LLNL開(kāi)發(fā)的multiphysics代碼ALE3D來(lái)模擬高斯和貝塞爾光束激光形狀與金屬粉末材料單個(gè)軌跡的相互作用。通過(guò)比較軌跡，他們發(fā)現(xiàn)貝塞爾光束比高斯光束表現(xiàn)出更好的熱梯度，推動(dòng)更好顯微結(jié)構(gòu)的形成。與此同時(shí)，他們還利用貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)了更好的能量分布，避免了高斯光束中“熱點(diǎn)”的形成，一旦形成“熱點(diǎn)”，會(huì)產(chǎn)生深熔池并形成孔隙。
“光束整形只是LLNL正在研究的提高3D打印金屬零件質(zhì)量的諸多途徑其中的一個(gè)，該方法通過(guò)整合簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，可以減少高斯光束制造零件通常需要的后處理技術(shù)所涉及的費(fèi)用、縮短時(shí)間，比交替掃描成本更具明顯優(yōu)勢(shì)。堅(jiān)固且無(wú)缺陷的零件生產(chǎn)以及以經(jīng)濟(jì)高效的方式印刷大型結(jié)構(gòu)是大勢(shì)所趨。為了使3D打印真正與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容、超越傳統(tǒng)的制造方法、避免交替掃描技術(shù)帶來(lái)的集成性挑戰(zhàn)，需要不斷探索光束整形，使其廣泛應(yīng)用于各種金屬的印刷，并將其納入商業(yè)印刷系統(tǒng)。”
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