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贝塞尔光束:激光光束整形改善金属3D打印

来源:荣格-《国际工业激光商情》 发布时间:2021-11-05 937
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他 特别报道
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贝塞尔光束比传统的高斯光束形状显著扩展了激光扫描参数空间,其结果是理想的熔池不会太浅,也不会出现锁孔现象。

虽然基于激光的3D打印技术极大释放了设计自由度,彻底改变了金属零件的生产,但金属打印的激光光束仍然具有可能导致缺陷和较差机械性能的缺点。近期,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员通过探索激光粉末床融合(LPBF)等高功率激光打印工艺中常用的高斯光束的替代形状,来解决这个问题。


9月在Science Advances发表的一篇论文中,研究人员试验了被称为贝塞尔光束的奇异光束形状——让人联想到靶心图案——它具有许多独特的特性,如自愈和非衍射。他们发现应用这些类型的光束降低了形成孔隙的可能性,以往在LPBF中使用高斯光束会加剧孔隙率诱导现象。


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研究结果表明,贝塞尔光束可以缓解LBPF的主要问题:激光与金属粉末相遇的地方会出现大的热梯度和复杂的熔池不稳定性。这些问题主要是由高斯光束形状引起,而这在当前的大多数高功率激光系统里非常普遍。


“使用高斯光束很像使用火焰喷射器烹饪食物,你无法控制材料周围的热量沉积,”论文的主要作者和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,这意味着可以设计热剖面并降低热梯度,以帮助材料的微结构晶粒细化,并最终产生更致密的部件和更光滑的表面。”


正如研究人员Tumkur所说,贝塞尔光束比传统的高斯光束形状显著扩展了激光扫描参数空间,其结果是理想的熔池不会太浅,也不会出现锁孔现象。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传播时容易发生衍射(扩散)。贝塞尔光束由于非衍射的特性可以提供更大的焦深。因此,研究人员在实验中观察到,相对于激光焦点使用贝塞尔光束来放置工件增加了公差。放置对于工业系统来说是一项挑战,这些系统通常依赖昂贵且敏感的技术,在每次沉积金属粉末层时将正在进行的构建,定位在聚焦的光束焦深内。


“贝塞尔光束因非衍射和自愈特性而被广泛用于成像、显微镜和其他光学应用,但光束形状的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中光学物理和材料工程之间看似脱节的问题。”


研究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,在中心光束周围形成“环”。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,研究团队还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。


“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,”该项目的首席研究员Ibo Matthews说,“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使用多物理场代码模拟高斯和贝塞尔光束激光形状与金属粉末材料的相互作用。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,促进了材料形成更好的微观结构。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表示:“模拟可以对正在发生的物理学进行详细诊断,从而能够了解实验结果背后的基本机制。”作为提高金属3D打印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并节省了时间和成本。用高斯光束构建的零件通常还需要后处理。


Tumkur谈到,为了使3D打印真正符合工业标准并超越传统的制造方法,需要解决在非常短的时间范围和微观结构尺度下发生的一些基本问题。他认为光束整形确实是一种可行的方法,因为可以应用于各种金属打印,并且还能纳入商业打印系统。作为与GE Global Research持续合作的一部分,LLNL的研究人员目前正在试验其他光束形状工程策略,并计划研究复杂的激光光束和偏振成形方法,以更好地控制打印部件的质量。


来源:荣格-《国际工业激光商情》


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