Science Advances：金属增材制造中增强光热控制的无衍射光束整形

基于激光的金属增材制造(AM)或三维(3D)打印在过去几十年中获得了巨大的吸引力，因为它为快速成型和制造具有超越传统制造技术领域的卓越机械性能的复杂设计提供了一条前进的道路。激光粉末床熔融(L-PBF)已成为金属3D打印的最高标准之一，即扫描过程激光束照射金属粉末料床，以顺序熔化并形成所需形状的结构。然而，利用聚焦高斯光束制备粉末床熔融金属增材制造时，会出现温度梯度大、熔池不稳定性复杂，从而容易导致孔隙率高、形貌质量差、力学性能下降。

来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Thejaswi U. Tumkur和Manyalibo J. Matthews团队发现，与高斯光束相比，贝塞尔光束对不锈钢(SS316L)熔池的时空控制有效性是前所未有的。值得注意的是，贝塞尔光束的无衍射特性使得在3D打印过程中对焦面定位有更大的容忍度。本文还证明了贝塞尔光束在较宽的扫描参数空间内显著降低了小孔形成的倾向。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，这是由于温度梯度降低引起的。因此，本文在3D打印测试结构中观察到高密度、降低表面粗糙度和强健的拉伸性能的显著改进的组合。相关工作以题为“Nondiffractive beam shaping for enhanced optothermal control in metal additive manufacturing”的研究性文章发表在《Science Advances》。

DOI：10.1126/sciadv.abg9358

贝塞尔光束的大焦深效应

典型的零级贝塞尔光束的特征光束分布，如图1B所示，即有出一个明亮的中心核心，周围环绕着被暗区隔开的同心环。焦深和瑞利范围量化了光束的有效焦区的大小，或者间接地量化了在L-PBF中定位构建表面的容差。对于高斯光束而言，瑞利范围z_rg∝(φ²_f/λ)，其中σ_f是焦点处的光束直径(图1C)。对于贝塞尔光束，中心芯的尺寸仍然是抗衍射的(在理想情况下，而对于有限大小的光阑，瑞利范围是z_rg∝(D_aσ_f/λ)，其中D_a是孔径直径。显然，贝塞尔光束的焦深可以比高斯光束大几个数量级(图1D)。实验测量的高斯和贝塞尔光束的径向强度分布记录在焦点(z=0)和距离z=200 mm处，如图1(E和F)所示。

图1.高斯和贝塞尔光束形状的强度分布示意图。

光束整形对小孔倾向的影响

由于本文实验中使用的参数空间相当大，因此很难将光束形状对熔池几何形状的单独影响从其他参数中分离出来(如图2所示)。虽然体积能量密度Q是定性比较光束整形效果的信息参数，但在两种光束形状之间进行定量比较需要谨慎，特别是在探测较宽的参数空间时。对于高斯光束处理的轨道，在从导模熔化到小孔的转变过程中，斜率有明显的增加(~6.7倍)。对于使用贝塞尔梁产生的轨道，由于锁孔开始而引起的斜率变化是存在的，但显著减小(~1.6倍)，如图3B所示。

图2.光束形状对熔池尺寸的影响。

图3.归一化熔池深度作为能量密度的函数。

熔池动力学的高速成像

本实验中使用的工艺参数为：高斯光束照明{P=120W，175W；σ=90~175 um}；贝塞尔光束照明{P=250W，350W；σ=150~250 um}。在熔池的中心和边缘测量了凝固时间(图4)。从图4中，本文注意到贝塞尔光束诱导的熔池在较宽的输入能量密度范围内需要更长的时间才能凝固。与中心区域相比，高斯和贝塞尔诱导的熔池在熔池外围的凝固时间差更大(即，使用贝塞尔光束的凝固时间更长)(图4C和D)。接下来，本文对熔池沿贝塞尔和高斯光束形状处理的单轨传播进行高速成像。图5A显示了激光开启后在0.12毫秒到1.5毫秒之间以0.12毫秒的间隔捕获的熔池的“侧视图”快照。扫描参数选择为ΔH/h_s~6.2~6.5，两种束流形状的扫描速度均保持在143 mm/s。观察熔池蒸汽沿单道的演化(图5A)，很明显，与以蒸汽羽流角度(相对于水平面)强烈变化为特征的贝塞尔光束相比，高斯光束在熔池中产生更多的湍流波动。

图4.静态熔池的高速成像。

图5.生长中的熔池的高速成像。

打印表面更光滑、孔隙率更低的超高密度部件

图6(A和B)显示了分别用高斯光束和贝塞尔光束打印的建成立方体的平均表面粗糙度值，作为它们的相对密度的函数，这些点被颜色映射到ΔH/h_s值。本文将使用贝塞尔光束所能实现的高密度和更光滑的地形相结合归因于：(i)减少了小孔倾向，通过减少边缘的小孔孔隙率来最小化侧壁粗糙度；(ii)由于更稳定的熔池动力学减少了飞溅，这减少了未熔化缺陷和孔隙率；以及(iii)熔池倾向于在更长的时间内保持液态(由于冷却速率较长)，从而最小化了空间漂移。图6(C和D)显示了从真实应力-应变曲线提取的屈服应力(YS)和均匀伸长率(UE)值(每个梁形状执行了八次拉伸测试，载荷沿构建轴施加)作为能量密度的函数。贝塞尔光束(图6D)的强度和延展性与高斯光束(图6C)相当。

图6.光束整形对机械性能的影响

图7.两种光束形状的G-R凝固图。

小结

虽然本文的研究没有在光束整形的背景下考虑粉末尺寸分布的影响，但本文认为使用贝塞尔光束的有益结果将适用于尺寸接近或小于光束直径的粉末粒子的在3D打印中的应用。在这种情况下，贝塞尔光束的空间分布可以作为一种自由度，使得只有光束的中心核心超过熔化阈值，而更宽的贝塞尔环中的功率分布可以简单地用于粉末床的退火或最大限度地保温。然而，如果粉末颗粒的尺寸接近加工激光束的波长，Mie共振或反常散射效应可能开始占据主导地位，并影响粉末床的吸收率或激光与羽流相互作用的强度。本文预计，贝塞尔光束整形对光学和吸收率相关热现象的影响，如焦面公差、熔池湍流和穿孔倾向（如这里针对SS316L所报道的）可能定性地适用于广泛的金属和合金，尽管由此对其他材料的微观结构和机械性能的影响需要进一步研究。

本文由SSC供稿。