科學家探索使用貝塞爾光束來改善3D金屬打印的孔隙和缺陷問題

2021-09-27 13:28:25來源：cnBeta 關(guān)鍵詞：3D打印激光光束閱讀量：21330

導讀：基于激光的3D打印技術(shù)憑借著擴展性和復雜性，已經(jīng)徹底改變了金屬零件的生產(chǎn)。但傳統(tǒng)上用于金屬打印的激光束仍然存在缺點，可能導致缺陷和不良的機械性能。

　　基于激光的3D打印技術(shù)憑借著擴展性和復雜性，已經(jīng)徹底改變了金屬零件的生產(chǎn)。但傳統(tǒng)上用于金屬打印的激光束仍然存在缺點，可能導致缺陷和不良的機械性能。探索高功率激光打印過程中常用高斯光束(Gaussian beam)的替代形狀，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員正嘗試解決這個問題，其中一個突破口就是激光粉末床熔融(LPBF)。

　　近日發(fā)表在《Science Advances》的一篇論文中，研究人員對被稱為貝塞爾光束(Bessel beams)的奇異光束形狀進行了實驗。這種光束擁有一些獨特的特性，如自愈和非衍射。研究發(fā)現(xiàn)，這些類型的光束的應(yīng)用減少了孔隙形成和“keyholing”(鍵合)的可能性，而高斯光束的使用加劇了LPBF的孔隙誘發(fā)現(xiàn)象。這項工作在該雜志2021年9月17日的封面上有所體現(xiàn)。

　　LLNL的研究人員說，這項工作表明，貝塞爾光束等替代形狀可以緩解LBPF技術(shù)中的主要問題：在激光與金屬粉末相遇的地方發(fā)生的巨大熱梯度和復雜的熔池不穩(wěn)定性。這些問題主要是由大多數(shù)現(xiàn)成的高功率激光系統(tǒng)通常輸出的高斯光束形狀引起的。

　　該論文的主要作者、LLNL研究科學家Thej Tumkur Umanath說：“使用高斯光束很像使用噴火器來烹飪你的食物；你不能很好地控制熱量如何沉積在材料周圍。有了貝塞爾光束，我們重新分配了一些遠離中心的能量，這意味著我們可以設(shè)計熱曲線，減少熱梯度，以幫助微結(jié)構(gòu)晶粒細化，并最終導致更密集的部件和更光滑的表面”。

　　傳統(tǒng)光束的另一個缺點是，它們在傳播過程中容易出現(xiàn)衍射(擴散)。貝塞爾光束由于其非衍射特性，可以提供更大的聚焦深度。因此，論文作者觀察到，使用貝塞爾光束時，工件相對于激光焦點的位置的公差增加了。放置對于工業(yè)系統(tǒng)來說是一個挑戰(zhàn)，因為這些系統(tǒng)經(jīng)常依靠昂貴而敏感的技術(shù)，在每次沉積一層金屬粉末時，將正在進行中的構(gòu)建定位在聚焦光束的焦點深度內(nèi)。

　　Tumkur解釋說：“貝塞爾光束因其非衍射和自愈特性而被廣泛用于成像、顯微鏡和其他光學應(yīng)用，但光束形狀工程方法在基于激光的制造應(yīng)用中相當少見。我們的工作解決了金屬增材制造領(lǐng)域中光學物理學和材料工程之間似乎存在的脫節(jié)問題，即采用設(shè)計光束形狀來實現(xiàn)對熔池動態(tài)的控制”。

　　(原標題：科學家探索使用貝塞爾光束來改善3D金屬打印的孔隙和缺陷問題)

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