贝塞尔光束改善激光金属3D打印孔隙和缺陷问题的研究

     虽然基于激光束熔融的金属3D打印技术通过极大地扩展设计复杂性，为金属零件制造带来了颠覆性的新方式，但不可否认用于金属打印的激光束尚有需要改进之处，可能导致缺陷和较差的机械性能。劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员正在探索高功率激光打印（如粉末床激光熔化金属3D打印工艺-LPBF）中常用的高斯光束的替代形状，以解决此问题。他们的最新研究被发表在《Science Advances》杂志上。

 缓解热梯度和不稳定的复杂熔池

LLNL实验室研究人员用贝塞尔光束这一形状独特的光束进行了实验，此光束具有特殊的无衍射及自愈性。

研究发现，LPBF 工艺中中高斯光束的应用造成了“匙孔”这种气孔诱导现象的出现，而贝塞尔光束的应用降低了孔隙和“匙孔”形成的可能性

© LLNL

该项工作表明，贝塞尔光束等替代形状可以缓解LPBF 技术中的主要问题——激光与金属粉末相遇时会出现较大热梯度和不稳定的复杂熔池。这些问题主要是由高功率激光系统输出的高斯光束形状引起的。

这项研究论文的主要作者 Tumkur Umanath表示: “使用高斯光束特别像用喷火器来烹饪食物——难以很好地控制热量在目标材料周围沉积。而使用贝塞尔光束，我们可将一部分能量从中心重新分散出去，这意味着我们可以设计热剖面、降低热梯度，以助力微观结构晶粒细化，最终形成更光滑的表面、获得更致密的元件。”

各光束转换(左下为贝塞尔光束输出） 来源：www.wnlo.cn

贝塞尔光束超越了传统的高斯光束形状，显著扩展了激光扫描参数，避免了传统光束带来的诸多问题。研究的预期结果是熔池不会太浅，也不会出现匙孔。

在传统光束中，激光会产生强烈的蒸气，并在构建过程中在金属基底中形成一个深腔。匙孔会在熔池中产生气泡，形成气孔，导致成品零件的机械性能下降。

传统光束的另一个缺点是它们在传播时易衍射，而贝塞尔光束因其非衍射特性提供了更大的焦深。研究人员使用贝塞尔光束时观察到工件相对于激光焦点的贴装公差增加。对于工业系统来说，贴装是一项挑战，因为工业系统通常依赖昂贵且敏感的技术，在每层金属粉末沉积时，将其定位在聚焦光束的焦深内。

对此Tumkur解释道：“贝塞尔光束因其无衍射和自修复特性，已被广泛应用于成像、显微镜和其他光学应用中，但光束整形在激光制造应用中还未普及。我们的研究解决了金属增材制造领域中光学物理和材料工程之间脱节的问题，通过整合、设计光束形状来实现对熔池动力学的控制。”

LLNL 实验室的研究团队通过让激光穿过两个圆锥形透镜来对光束进行“整形”，然后让它穿过其他光学器件和扫描器，在中心光束周围形成环状。研究人员使用实验室的商用3D打印机，用该实验装置从不锈钢粉末中打印出了立方体和其他形状。

通过高速成像，研究人员研究了熔池动力学，观察到熔池湍流大幅减少、“飞溅”有所缓解。飞溅是指熔融金属颗粒从激光路径上飞出，通常会导致孔隙的形成。

在机械研究和模拟中，该团队发现，用贝塞尔光束构建的零件比用传统高斯光束构建的结构更致密、更坚固，并且具有更优秀的拉伸性能。该项目的首席研究员Ibo Matthews表示: “工业界长期以来一直在寻求提高对LPBF工艺流程的控制能力，以最大限度地减少缺陷。在光束中引入复杂的结构增加了灵活性，可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质量。”

LLNL计算机科学家使用LLNL开发的multiphysics代码ALE3D来模拟高斯和贝塞尔光束激光形状与金属粉末材料单个轨迹的相互作用。通过比较轨迹，他们发现贝塞尔光束比高斯光束表现出更好的热梯度，推动更好显微结构的形成。

与此同时，他们还利用贝塞尔光束实现了更好的能量分布，避免了高斯光束中“热点”的形成，一旦形成“热点”，会产生深熔池并形成孔隙。

“光束整形只是LLNL正在研究的提高3D打印金属零件质量的诸多途径其中的一个，该方法通过整合简单的光学元件，可以减少高斯光束制造零件通常需要的后处理技术所涉及的费用、缩短时间，比交替扫描成本更具明显优势。坚固且无缺陷的零件生产以及以经济高效的方式增材制造大型结构是大势所趋。为了使3D打印真正与工业标准兼容、超越传统的制造方法、避免交替扫描技术带来的集成性挑战，需要不断探索光束整形，使其广泛应用于各种金属的增材制造，并应用到商用的金属3D打印系统中。”

作为与通用电气全球研发中心持续合作的一部分，LLNL室的研究人员目前正在试验其他光束整形策略，并计划研究复杂的激光束和偏振整形方法，从而更好地控制印刷零件的质量。