激光束整形可增强金属3D打印过程中的特性

 为了推动金属LPBF粉末床激光熔融3D打印技术从快速原型设计思维到快速制造，重要的是要深入了解影响加工工艺的因素，从而提高增材制造过程控制。为此，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）正在努力开发一种新的基于算法科学的增材制造设计策略，该策略可以通过使用定制和模拟驱动的光源来控制传导热。

    科研人员将研究结果发表成论文“Spatialmodulationoflasersourcesformicrostructuralcontrolofadditivelymanufacturedmetals”（“通过空间调制激光源用于控制金属微观结构”），其中他们展示了在LPBF3D打印过程中如何控制光束椭圆度用于微结构控制。

    光束椭圆度与微观结构

    从生物打印血管，使用3D打印控制反应材料到3D打印纳米多孔金以及研究金属3D打印缺陷，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家因其令人印象深刻的3D打印材料工作而闻名。

最常用于金属3D打印的合金，如316L不锈钢，钛合金如Ti-6Al-4V，Inconel718/625高温合金，以及铝合金如Al-Cu-Mg-Sc-Si，这些材料基本上是为传统的生产流程开发的，并不是专门为增材制造加工工艺开发的。不适合的材料原料，以及缺乏对微观结构形成产生影响的局部热传导活动的控制，来自过程监测的数据有限而导致对过程的预测能力不足。

  劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究结果表明，光束调制提供了位点特定的微观结构控制，这些结果可以通过熔池动力学和热分布的有限元建模来解释。该团队使用的是简单的光束整形光学元件，理论上在商业化层面上可以实现。

  因此，通过利用这种光学系统设计热梯度，可以通过在构建过程中调制光束形状来控制特定位置的等轴或柱状晶粒，研究人员在ConceptLaser的设备上进行了对316L不锈钢粉末的加工。在单轨激光熔化实验期间使用316L不锈钢基板。在他们的LPBF测试平台中，该团队通过50毫米FL透镜来控制600W光纤激光器的光束。

  利用LLNL的ALE3D数值模拟软件工具，研究人员模拟了实际的粒度分布和随机粒子堆积，然后通过使用激光射线追踪算法模拟激光与实际粉末床的相互作用。通过混合有限元法解决了三维模型在非结构化网格上的元素和有限体积公式。为了节省计算时间，扫描速度设定为1800mm/s，能量密度为61J/mm3。

    使用LLNL的ALE3D代码模拟激光模型相互作用，可以研究光束形状对轨道宏观和微观结构的影响。研究人员确定“较低的激光功率下凝固对等轴晶的形成是有利的”，与光束椭圆度无关。当功率和扫描速度上升时，柱状晶粒的浓度通常增加，这时候可以通过改变光束椭圆率来实现特定位置的微观结构控制。此外，使用交替光束形状的完整构建甚至可以实现更复杂的微结构。

    研究人员还研究了高斯和椭圆激光强度分布对单轨微观结构的影响。当激光加热发生热传导模式时，椭圆形强度的光斑比圆形轮廓的光斑在大得多的参数空间上产生等轴或混合等轴柱状晶粒。这表明晶粒形态可以通过改变光束强度和空间轮廓来定制，同时保持恒定的激光功率和扫描速度。