2021年9月23日消息，为了解决金属 3D 打印中的孔隙率和缺陷问题，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员对称为贝塞尔光束的奇异光学激光束形状进行了实验，实验过程中的现象很容易让人联想到牛眼图案。他们发现光束具有独特的特性，例如自我修复和非衍射，并降低了孔隙形成和“锁孔”的可能性，这是一种因使用高斯光束而加剧的孔隙率诱导现象。

　　虽然基于激光的 3D 打印技术通过极大地扩展设计复杂性，彻底改变了金属零件的生产，但传统上用于金属打印的激光束具有可能导致缺陷和较差机械性能的缺点。

图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室

　　这项研究发表在在Science Advances发表的一篇论文中，也是 9 月 17 日的封面。

　　LLNL 研究人员表示，这项工作表明，贝塞尔光束等替代形状可以缓解 LBPF 技术中的主要问题——在激光与金属粉末相遇处发生的大热梯度和复杂的熔池不稳定性。这些问题主要是由大多数现成的高功率激光系统通常输出的高斯光束形状引起的。

　　“使用高斯光束很像使用火焰 喷 射器来烹饪食物；你无法控制热量如何沉积在材料周围，”主要作者和 LLNL 研究科学家 Thej Tumkur Umanath 说：“对于贝塞尔光束，我们将部分能量从中心重新分配，这意味着我们可以设计热剖面并降低热梯度，以帮助微结构晶粒细化，并最终产生更致密的部件和更光滑的表面。”

　　Tumkur，他还在 LLNL 的 2019 年博士后研究大满贯中获得了第一名！竞争这项工作，说贝塞尔光束比传统的高斯光束形状显着扩展了激光扫描参数空间。结果是理想的熔池不会太浅，也不会出现锁孔现象——正如 LLNL 研究人员先前发现的那样，激光在构建过程中会产生强烈的蒸汽并在金属基板上产生深腔。锁孔会在熔池中产生气泡，形成气孔并导致成品部件的机械性能下降。

　　传统光束的另一个缺点是它们在传播时容易发生衍射（扩散）。贝塞尔光束由于其非衍射特性而提供更大的焦深。因此，作者观察到使用贝塞尔光束相对于激光焦点放置工件的公差增加。放置对于工业系统来说是一个挑战，这些系统通常依赖昂贵且敏感的技术来在每次沉积一层金属粉末时将正在进行的构建定位在聚焦光束的焦深内。

　　“贝塞尔光束因其非衍射和自愈特性而广泛用于成像、显微镜和其他光学应用，但光束形状工程方法在基于激光的制造应用中并不常见，”Tumkur 解释说：“我们的工作通过结合设计师光束形状来实现对熔池动力学的控制，解决了金属增材制造社区中光学物理和材料工程之间看似脱节的问题。”

　　LLNL 团队通过将激光穿过两个锥形透镜以产生甜甜圈形状来对光束进行整形，然后将其通过额外的光学器件和扫描仪以在中心光束周围形成“环”。研究人员安装在 LLNL 先进制造实验室的商用印刷机中，使用该实验装置从不锈钢粉末打印立方体和其他形状。

　　通过高速成像，研究人员研究了熔池的动力学，观察到熔池湍流的显着减少和“飞溅”的减轻——在构建过程中从激光路径飞出的金属熔融颗粒——这通常会导致孔隙形成。

　　在机械研究和模拟中，该团队发现用贝塞尔梁建造的零件比用传统高斯梁建造的结构更致密、更坚固并且具有更强大的拉伸性能。

　　在成为 LLNL 材料科学部门负责人之前，该项目的首席研究员 Ibo Matthews 说：“长期以来，业界一直在寻求提高对 LPBF 过程控制的能力，以最大限度地减少缺陷。在激光束中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质量。”

　　LLNL 计算机科学家 Saad Khairallah 使用 LLNL 开发的多物理场代码 ALE3D 来模拟高斯和贝塞尔光束激光形状与金属粉末材料单轨的相互作用。通过比较产生的轨迹，该团队发现贝塞尔光束比高斯光束表现出更好的热梯度，促进了更好的微观结构形成。他们还使用贝塞尔光束实现了更好的能量分布，避免了高斯光束中的“热点”产生，后者会产生深熔池并形成孔隙。

　　Khairallah 说：“模拟可以让你对正在发生的物理学进行详细的诊断，从而让你了解我们实验结果背后的基本机制。”

　　只是 LLNL 正在研究的提高 3D 打印金属零件质量的众多途径之一，光束整形是比替代扫描策略更便宜的选择，因为它可以通过结合简单的光学元件以很少的成本完成，并且可以减少相关的费用和时间Tumkur 说，在用高斯光束构建的零件通常需要的后处理技术中。

　　“非常需要生产坚固且无缺陷的部件，并能够以具有成本效益的方式打印非常大的结构，”Tumkur 说：“为了使 3D 打印真正符合工业标准并超越传统制造方法，我们需要解决在非常短的时间范围和微观结构尺度上发生的一些基本问题。我认为光束整形确实是一条可行的道路，因为它可以应用无处不在地印刷各种金属并被纳入商业印刷系统，而不会像其他替代技术那样构成重大的可集成性挑战。”