使用聚焦高斯型光束的粉末床熔基金属增材制造涉及的高热梯度和复杂的熔池不稳定性，往往导致高孔隙率、糟糕的形貌质量和退化的力学性能。在此，来自美国劳伦斯利弗莫尔国家的 MANYALIBO J.MATTHEWS等研究者分析表明，与高斯光束相比，贝塞尔光束提供了前所未有的对不锈钢(SS 316L)熔体池时空演化的控制。相关论以题为“Nondiffractive beam shaping for enhanced optothermal control in metal additive manufacturing”发表在Science Advances上。

论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358

基于激光的金属增材制造(AM)或三维(3D)打印，在过去几十年获得了巨大的吸引力，因为它为快速成型和复杂设计的制造提供了一条道路，具有超越传统制造技术的卓越力学性能。激光粉末床聚变(L-PBF)，一直是金属3D打印的金标准，在扫描过程中，激光光束照射金属粉末原料床，依次熔化并形成所需形状的结构。L-PBF中使用的高激光强度(~MW/cm2)，导致高凝固生长速率(R)和熔化池中大的热梯度(G)。因此，热和质量传输机制取决于由复杂的熔体流动动力学和反复加热冷却循环的累积效应造成的不稳定性，这可能会不利地导致缺陷和孔隙。高G/R比值也会导致柱状晶粒长大和残余应力，不利于获得各向同性力学性能。

通过采用合金设计、粉末原料工程和简单的机器参数优化等策略，AM的内在局限性已经得到了一定程度的改善。更直观的是，在L-PBF过程中引发熔化的激光强度曲线应该影响熔池的空间分布，从而影响热梯度和凝固动力学。然而，过程激光束的强度分布往往被忽视，研究很少，这可能是因为大多数高功率商业激光器输出的是TEM00模式，通常称为高斯光束。高斯光束的特征是在1/e2束腰内具有强局域化，其中包含约86%的入射功率。

由于在紧密聚焦区域提供的高峰值强度，高斯束诱导的熔体池非常容易发生(i)匙孔现象，这是由于熔体池的汽化和在底层熔体池上的反冲压力的积累而发生的，以及(ii)飞溅的产生，即：喷出未熔化或熔化的粉末颗粒。匙孔和喷溅，都对印刷品的宏观和介观性能有不利影响，因为它们会导致印刷品孔隙的形成和较差的表面质量。在调整热分布方面缺乏灵活性，这是控制熔化池流体动力学导致的其他不希望的影响的主要挑战，包括激光-物质和激光-羽流相互作用以及孔隙度、相对密度和表面粗糙度之间的相互作用。高表面粗糙度的印刷产品，已证明有助于急剧减少疲劳寿命。

近年来，激光光束整形技术被应用于工程光与物质相互作用领域，以解决聚焦高斯光束在金属AM中的不足。特别是，与高斯光束相比，反高斯(环形)光束可以在更大的扫描参数范围内减轻飞溅的产生并减少缺陷。在单轨研究中，椭圆光束轮廓强烈地影响凝固组织，并增加等轴晶粒的倾向性。另外，平顶梁也可以实现均匀的温度分布，并在中等能量密度下获得致密结构。然而，这种从光束中心到边缘的类高斯和超高斯径向强度变化，在熔体池中造成了很大的热梯度，限制了这种光束有效的扫描参数空间。重要的是，传统的聚焦光束容易产生强烈的衍射(扩散)。因此，由于力学定位的不一致性，在光束焦点上精确定位构建表面的不确定性可能非常高。此外，高的结合激光功率(千瓦)和相对较长的停顿时间，需要L-PBF经常导致大光学组件上的热应力和热透镜效应等，导致了不良反应，这会使建筑表面的强度分布发生倾斜，或使焦点从原来的位置转移。

另一方面，贝塞尔光束是一种更广泛的非衍射光束形状，对薄层显微镜和光学俘获等应用至关重要。尽管可以设想和实现几种非衍射和空间工程光束形状，但它们通常涉及使用多种复杂的光学元件和/或空间光调制器，这可能不适用于涉及高激光功率的应用。零级贝塞尔光束可以使用简单的光学元件产生，而不会对商业3D打印机的可积性构成实质性挑战。贝塞尔光束表现出非凡的光学特性，包括扩展的聚焦深度(或无衍射的传播范围)和自愈性，其中锥形波简单地超越传播路径上的障碍重建，潜在地减轻了L-PBF中空气飞溅造成的有害影响。至关重要的是，尽管需要探索控制激光-材料相互作用和改善最终材料性能的方法，但对于L-PBF中复杂非衍射光束对材料响应的影响知之甚少。

在此，研究者发现贝塞尔光束降低了L-PBF (SS 316L不锈钢)中聚焦平面定位的灵敏度。研究者还表明贝塞尔光束产生的熔体池，具有更大的宽高比(更窄和更深)，显著降低了在广阔的参数空间内匙孔模式熔化的倾向。对熔池演化和凝固动力学的高速成像，揭示了贝塞尔光束稳定熔池湍流和增加熔池凝固时间的独特机制，这是由于降低了热梯度。因此，研究者观察到，在3D打印测试结构中，高密度、降低表面粗糙度和强大的拉伸性能得到了明显改善。

图1 高斯和贝塞尔光束形状的强度分布示意图。

图2 束形对熔池尺寸的影响。

图3 归一化熔池深度作为能量密度的函数。

图4 静态熔池的高速成像。

图5 扩散熔化池的高速成像。

图6 光束整形对力学性能的影响。

图7 两种光束形状的G-R凝固图。

研究者预计贝塞尔光束整形，对光学和吸附性相关的热现象的影响，如焦平面容差、熔体池湍流和锁孔倾向，如本文针对SS316L所报道的，可以定性地应用于广泛的金属和合金，尽管对其他材料的微观结构和力学性能的影响，需要进一步研究。（文：水生）

来源：3D科学谷 http://www.3dsciencevalley.com/?p=24827

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