使用聚焦高斯型光束的粉末床熔基金屬增材制造涉及的高熱梯度和復雜的熔池不穩定性，往往導致高孔隙率、糟糕的形貌質量和退化的力學性能。在此，來自美國勞倫斯利弗莫爾國家的 MANYALIBO J.MATTHEWS等研究者分析表明，與高斯光束相比，貝塞爾光束提供了前所未有的對不銹鋼(SS 316L)熔體池時空演化的控制。相關論以題為“Nondiffractive beam shaping for enhanced optothermal control in metal additive manufacturing”發表在Science Advances上。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358
基于激光的金屬增材制造(AM)或三維(3D)打印，在過去幾十年獲得了巨大的吸引力，因為它為快速成型和復雜設計的制造提供了一條道路，具有超越傳統制造技術的卓越力學性能。激光粉末床聚變(L-PBF)，一直是金屬3D打印的金標準，在掃描過程中，激光光束照射金屬粉末原料床，依次熔化并形成所需形狀的結構。L-PBF中使用的高激光強度(~MW/cm2)，導致高凝固生長速率(R)和熔化池中大的熱梯度(G)。因此，熱和質量傳輸機制取決于由復雜的熔體流動動力學和反復加熱冷卻循環的累積效應造成的不穩定性，這可能會不利地導致缺陷和孔隙。高G/R比值也會導致柱狀晶粒長大和殘余應力，不利于獲得各向同性力學性能。
通過采用合金設計、粉末原料工程和簡單的機器參數優化等策略，AM的內在局限性已經得到了一定程度的改善。更直觀的是，在L-PBF過程中引發熔化的激光強度曲線應該影響熔池的空間分布，從而影響熱梯度和凝固動力學。然而，過程激光束的強度分布往往被忽視，研究很少，這可能是因為大多數高功率商業激光器輸出的是TEM00模式，通常稱為高斯光束。高斯光束的特征是在1/e2束腰內具有強局域化，其中包含約86%的入射功率。
由于在緊密聚焦區域提供的高峰值強度，高斯束誘導的熔體池非常容易發生(i)匙孔現象，這是由于熔體池的汽化和在底層熔體池上的反沖壓力的積累而發生的，以及(ii)飛濺的產生，即：噴出未熔化或熔化的粉末顆粒。匙孔和噴濺，都對印刷品的宏觀和介觀性能有不利影響，因為它們會導致印刷品孔隙的形成和較差的表面質量。在調整熱分布方面缺乏靈活性，這是控制熔化池流體動力學導致的其他不希望的影響的主要挑戰，包括激光-物質和激光-羽流相互作用以及孔隙度、相對密度和表面粗糙度之間的相互作用。高表面粗糙度的印刷產品，已證明有助于急劇減少疲勞壽命。
近年來，激光光束整形技術被應用于工程光與物質相互作用領域，以解決聚焦高斯光束在金屬AM中的不足。特別是，與高斯光束相比，反高斯(環形)光束可以在更大的掃描參數范圍內減輕飛濺的產生并減少缺陷。在單軌研究中，橢圓光束輪廓強烈地影響凝固組織，并增加等軸晶粒的傾向性。另外，平頂梁也可以實現均勻的溫度分布，并在中等能量密度下獲得致密結構。然而，這種從光束中心到邊緣的類高斯和超高斯徑向強度變化，在熔體池中造成了很大的熱梯度，限制了這種光束有效的掃描參數空間。重要的是，傳統的聚焦光束容易產生強烈的衍射(擴散)。因此，由于力學定位的不一致性，在光束焦點上精確定位構建表面的不確定性可能非常高。此外，高的結合激光功率(千瓦)和相對較長的停頓時間，需要L-PBF經常導致大光學組件上的熱應力和熱透鏡效應等，導致了不良反應，這會使建筑表面的強度分布發生傾斜，或使焦點從原來的位置轉移。
另一方面，貝塞爾光束是一種更廣泛的非衍射光束形狀，對薄層顯微鏡和光學俘獲等應用至關重要。盡管可以設想和實現幾種非衍射和空間工程光束形狀，但它們通常涉及使用多種復雜的光學元件和/或空間光調制器，這可能不適用于涉及高激光功率的應用。零級貝塞爾光束可以使用簡單的光學元件產生，而不會對商業3D打印機的可積性構成實質性挑戰。貝塞爾光束表現出非凡的光學特性，包括擴展的聚焦深度(或無衍射的傳播范圍)和自愈性，其中錐形波簡單地超越傳播路徑上的障礙重建，潛在地減輕了L-PBF中空氣飛濺造成的有害影響。至關重要的是，盡管需要探索控制激光-材料相互作用和改善最終材料性能的方法，但對于L-PBF中復雜非衍射光束對材料響應的影響知之甚少。
在此，研究者發現貝塞爾光束降低了L-PBF (SS 316L不銹鋼)中聚焦平面定位的靈敏度。研究者還表明貝塞爾光束產生的熔體池，具有更大的寬高比(更窄和更深)，顯著降低了在廣闊的參數空間內匙孔模式熔化的傾向。對熔池演化和凝固動力學的高速成像，揭示了貝塞爾光束穩定熔池湍流和增加熔池凝固時間的獨特機制，這是由于降低了熱梯度。因此，研究者觀察到，在3D打印測試結構中，高密度、降低表面粗糙度和強大的拉伸性能得到了明顯改善。
圖1 高斯和貝塞爾光束形狀的強度分布示意圖。
圖2 束形對熔池尺寸的影響。
圖3 歸一化熔池深度作為能量密度的函數。
圖4 靜態熔池的高速成像。
圖5 擴散熔化池的高速成像。
圖6 光束整形對力學性能的影響。
圖7 兩種光束形狀的G-R凝固圖。
研究者預計貝塞爾光束整形，對光學和吸附性相關的熱現象的影響，如焦平面容差、熔體池湍流和鎖孔傾向，如本文針對SS316L所報道的，可以定性地應用于廣泛的金屬和合金，盡管對其他材料的微觀結構和力學性能的影響，需要進一步研究。（文：水生）
來源：3D科學谷 http://www.3dsciencevalley.com/?p=24827
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