美LLNL国家实验室：通过光束整形，3D打印更光滑、孔隙率更低的超高密度零件

传统高斯光束的缺点与贝塞尔光束

据LLNL研究人员称，在L-PBF 3D打印过程中使用高斯光束会导致激光与金属粉末相遇处产生较大的温度梯度和复杂的熔池不稳定性。传统激光光束会产生强烈的蒸气，并在构建过程中在金属基底中形成一个深腔，即形成钥匙孔。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。

近年来，该领域进行了大量研究以减少金属激光粉末床熔融过程中产生的缺陷，如使用LED光源代替激光器来熔化粉末、开发“智能”基板以及更好地平衡构建室内的热量以减少组件的残余应力和变形。

而LLNL 的团队在正在研究相对低成本的激光束整形方法来增强L-PBF打印工艺并减少打印金属部件的孔隙率。

高斯和贝塞尔光束形状的强度分布

LLNL研究科学家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，则可以显著扩展激光扫描参数，避免传统光束带来的诸多问题。通过将一部分能量从中心重新分散出去，从而可以设计热剖面、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。

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。

光束整形对熔池尺寸的影响（A - 高斯光束，B - 贝塞尔光束）

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。这项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。

3D打印表面更光滑、孔隙率更低的超高密度部件

为了获得贝塞尔光束形状，LLML研究人员将激光穿过两个锥形透镜进行整形，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。

轴棱锥对安装在聚焦光学元件之前，以在焦点（打印）平面上生成零阶贝塞尔光束分布

为了研究激光束整形实验的效果，研究人员使用了高速成像。对熔池动力学的观察表明熔池湍流显著减少，而飞溅（在构建过程中从激光路径飞出的熔融金属颗粒）也显著减少。飞溅往往会导致金属3D打印部件中的孔隙形成，因此减少这种影响的事实可能是改进L-PBF工艺的积极因素。

当使用贝塞尔光束进行打印时，熔池纵横比更大，并且在广泛的扫描参数空间中出现锁孔的倾向显著降低

单道扫描过程中，飞溅物的喷射速度

该研究的首席研究员 Ibo Matthews 表示，长期以来，业界一直在寻求提高对L-PBF 过程控制的能力，以最大限度减少缺陷。在激光传播路径中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。

该团队还进行了各种机械研究和模拟，发现使用贝塞尔光束比传统高斯光束制造的零件更致密、更坚固，并且具有更强大的拉伸性能。

研究人员模拟了高斯和贝塞尔光束与金属粉末单道扫描过程中的相互作用，其中贝塞尔光束表现出比高斯光束更好的热梯度。因此，据估计这会促进更好的微观结构形成，同时避免产生“热点”——它是形成深熔池并形成孔隙的重要因素。

光束整形对机械性能的影响：用 ( A ) 高斯和 ( B ) 贝塞尔光束打印的立方体的平均表面粗糙度值 ( S a )，作为各自相对密度的函数。数据点颜色映射到入射能量密度 (Δ H / h s ) 值。BD 表示原理图中的构建方向。使用 ( C ) 高斯和 ( D ) 贝塞尔光束打印试样的屈服应力 (YS)（黑色标记）和均匀伸长率（UE）

通过结合简单的光学元件进行光束整形来提高L-PBF 3D 打印金属部件的质量，具有更高的成本效益。同时无需使用高斯光束构建的部件所需的昂贵且耗时的后处理技术。

“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印刷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印刷，并将其纳入商业3D打印系统。”

END

该项工作表明，贝塞尔光束等替代形状可以缓解LBPF技术中的主要问题——激光与金属粉末相遇时会出现较大的热梯度和不稳定的复杂熔池。

作为与通用电气全球研发中心持续合作的一部分，LLNL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，以更好地控制零件的质量。