科學(xué)家探索使用貝塞爾光束來(lái)改善3D金屬打印的孔隙和缺陷問(wèn)題

　　基于激光的 3D 打印技術(shù)憑借著擴(kuò)展性和復(fù)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(diǎn)，可能導(dǎo)致缺陷和不良的機(jī)械性能。探索高功率激光打印過(guò)程中常用高斯光束（Gaussian beam）的替代形狀，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員正嘗試解決這個(gè)問(wèn)題，其中一個(gè)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(duì)被稱為貝塞爾光束（Bessel beams）的奇異光束形狀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這種光束擁有一些獨(dú)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(xiàng)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(shuō)，這項(xiàng)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(wèn)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(fù)雜的熔池不穩(wěn)定性。這些問(wèn)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(xué)家 Thej Tumkur Umanath 說(shuō)：“使用高斯光束很像使用噴火器來(lái)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(yuǎn)離中心的能量，這意味著我們可以設(shè)計(jì)熱曲線，減少熱梯度，以幫助微結(jié)構(gòu)晶粒細(xì)化，并最終導(dǎo)致更密集的部件和更光滑的表面”。

　　傳統(tǒng)光束的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它們?cè)趥鞑ミ^(guò)程中容易出現(xiàn)衍射（擴(kuò)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(shí)，工件相對(duì)于激光焦點(diǎn)的位置的公差增加了。放置對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@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(shí)，將正在進(jìn)行中的構(gòu)建定位在聚焦光束的焦點(diǎn)深度內(nèi)。

　　Tumkur 解釋說(shuō)：“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(xué)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(dāng)少見(jiàn)。我們的工作解決了金屬增材制造領(lǐng)域中光學(xué)物理學(xué)和材料工程之間似乎存在的脫節(jié)問(wèn)題，即采用設(shè)計(jì)光束形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池動(dòng)態(tài)的控制”。