多激光束制造時(shí)，兩個(gè)相互作用，平行的熔池之間的相互作用問題沒能得到很好的解決。來自普林斯頓大學(xué)的研究人員采用并行化的多激光束進(jìn)行金屬SLM制造。在這里，兩束激光平行的掃描熔化得到的熔池，兩個(gè)熔池具有一個(gè)小的空間偏移。采用不同的空間偏移量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示除了完全的合并外和完全的分離外，這里還存在一個(gè)新的區(qū)域，在兩個(gè)熔池中產(chǎn)生了周期性的合并。
成果簡(jiǎn)介：
傳統(tǒng)的金屬粉末床激光增材制造（SLM）在當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)存在由于低的制造速率和制造產(chǎn)能而存在打印尺度受到限制的問題。來自普林斯頓大學(xué)的研究人員及其合作者解決了這一困境。他們采取的一個(gè)辦法就是采用 并行化多個(gè)激光束來增加加工的柔性。近來的研究表明，當(dāng)使用2個(gè)或者更多的激光束進(jìn)行SLM打印的時(shí)候，其最終產(chǎn)品的機(jī)械性能得到提高。然而，依然存在一些障礙需要解決包括熔池的相鄰問題以及他們的相互作用機(jī)制，尤其是，兩個(gè)相互作用，平行的熔池之間的相互作用問題沒能得到很好的解決。在這里，兩束激光平行的掃描熔化得到的熔池，兩個(gè)熔池具有一個(gè)小的空間偏移。采用不同的空間偏移量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示除了完全的合并外和完全的分離外，這里還存在一個(gè)新的區(qū)域，在兩個(gè)熔池中產(chǎn)生了周期性的合并。高速影像結(jié)果顯示了這一合并形成的不同機(jī)制。這是我們所注意到的頭部到頭部和頭部到尾部的合并。通過改變包括激光功率和空間偏移等參數(shù)，具有不同波長(zhǎng)的周期性結(jié)構(gòu)可以采用雙激光束的辦法進(jìn)行工程應(yīng)用。
成果的 Graphical abstract
背景簡(jiǎn)介：
增材制造技術(shù)（AM），又叫3D打印和快速成型技術(shù)，是一種通過層層堆積的方式實(shí)現(xiàn)3D物體的堆積。在當(dāng)前，由于金屬打印技術(shù)的制造容易和制造的經(jīng)濟(jì)性，金屬的AM技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空航天，汽車和其他許多工業(yè)中。激光為基礎(chǔ)的粉末床打印技術(shù)（SLM）技術(shù)是金屬AM技術(shù)中最為普遍的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的SLM技術(shù)，采用的高斯激光束作為能量源來熔化粉末以制造最終的產(chǎn)品。然而，較慢的制造速率和其他技術(shù)上的挑戰(zhàn)阻礙了SLM技術(shù)來獲得更大的市場(chǎng)份額。
圖1. 本成果中的雙激光束實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖
目前已經(jīng)有研究是關(guān)于如何解決當(dāng)前SLM技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。例如，大量的研究曾經(jīng)用來探究使用多激光束或定制的激光束進(jìn)行加工的潛力。數(shù)值模擬技術(shù)用來解釋何種類型的能量分布形狀，如橢圓形的高斯能量會(huì)影響其顯微組織和機(jī)械性能。在激光焊接的時(shí)候，新穎的激光束輪廓通過衍射光學(xué)元件（diffractive optical element (DOE)）可以提供對(duì)焊接熔池的很好的控制和提高表面粗糙度。同時(shí)，為了解決制造效率低的問題，近來的研究是聚焦在使用多光束來提高加工效率。Renishaw公司在AM設(shè)備中曾經(jīng)引入四個(gè)獨(dú)立控制的激光源來進(jìn)行同時(shí)打印。Hong等人使用這個(gè)獨(dú)特的Renishaw公司的設(shè)備進(jìn)行加工并比較了產(chǎn)品的性能與單激光束之間的差別。Zhang等人實(shí)施了類似的工作，采用了一個(gè)多光束設(shè)備進(jìn)行打印。Slodczyk等人則展示了一個(gè)通過衍射光學(xué)元件形成的矩形排列的激光束來實(shí)現(xiàn)在保持熔池的穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)提高熔化速率。Sundqvist等人也通過一個(gè)分析溫度場(chǎng)在空間和瞬時(shí)的光束分布，來幫助快速的預(yù)測(cè)多個(gè)光束焊接時(shí)的溫度輪廓。進(jìn)一步的，Tsai等人構(gòu)建了一個(gè)三光束的SLM系統(tǒng)，來整合衍射光學(xué)元件的作用。結(jié)果獲得短的操作時(shí)間和表面粗度度的提高。
非常明顯，為了實(shí)現(xiàn)SLM技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用，提高SLM設(shè)備的制造柔性，采用平行的多光束是一種解決方案。在早先的研究中，曾經(jīng)有報(bào)道使用兩個(gè)激光束來進(jìn)行SLM制造，這兩個(gè)光束制造的熔池，在高的制造速率下就會(huì)出現(xiàn)完全分離，或者出現(xiàn)兩個(gè)熔池完全合并。在后者的情形下，一個(gè)光束作為預(yù)熱或者作為加熱的光源來減少溫度的梯度和提高制造產(chǎn)品的機(jī)械性能。我們相信這兩種情形下存在一個(gè)鴻溝，即在兩個(gè)熔池完全合并和完全分離的條件下存在一個(gè)過渡的情形。例如，目前不清楚并行光束的分辨率的限制，同時(shí)，盡管有研究是單光束的宏觀組織和形貌的研究，但并行光束進(jìn)行SLM制造時(shí)的宏觀組織和的關(guān)鍵問題還沒有人研究。
圖2. 定義掃描間距和垂直偏移的示意圖
為了理解以上提到的問題，普林斯頓大學(xué)的研究人員及其合作者，使用兩個(gè)同一的，并行掃描的激光作為SLM制造的能量源。通過放置兩個(gè)熔池的熔道非常接近的辦法，我們研究了熔池在合并時(shí)的相互作用。通過這樣做，兩個(gè)熔池熔道的分辨率通過建立起來。與此同時(shí)，我們可以理解熔池從完全合并到完全分離之間的過渡。
圖3. 改變掃描間距的同時(shí)保證垂直方向的偏移量固定
除了在兩個(gè)熔池之間進(jìn)行橫向空間偏移之外，我們還在兩個(gè)激光束之間施加了一個(gè)瞬時(shí)的偏移，這樣就可以有效的產(chǎn)生一個(gè)在線的空間偏移量。引入的這個(gè)瞬時(shí)偏移可以使得我們能夠進(jìn)一步的研究這兩個(gè)靠近的熔池在寬廣的參數(shù)范圍內(nèi)是如何相互作用的。我們找到了一個(gè)區(qū)間，這一區(qū)間中的周期性的結(jié)構(gòu)，在這一個(gè)不同的測(cè)試的激光功率中會(huì)在一定的空間進(jìn)行偏移。此外，在一定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行空間偏移會(huì)改變周期性結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)。
實(shí)驗(yàn)方法：
圖1 所示為本研究中所采用的雙激光實(shí)驗(yàn)裝置。在這一裝置中，兩個(gè)激光波長(zhǎng)為1070nm的激光，具有高斯分布的激光束能量運(yùn)行在連續(xù)的模式下作為激光源。激光束，經(jīng)過聚焦鏡的窄化后，通過一個(gè)3D掃描系統(tǒng)，該掃描系統(tǒng)由光束擴(kuò)束鏡，2D 掃描振鏡和 F-θ鏡所組成。每一個(gè)掃描系統(tǒng)的掃描范圍為 178mm × 178mm。通過這兩個(gè)掃描鏡的并列排列，采用搭接率的區(qū)域?yàn)?0mm × 178mm。激光束和掃描振鏡的控制通過PC電腦進(jìn)行控制。脈沖的發(fā)生器用來控制點(diǎn)火的延遲時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)激光之間的延遲和由此在兩個(gè)激光束之間制造出一個(gè)小的空間偏移。然而，這一脈沖生成器只能在激光束切換的時(shí)候產(chǎn)生作用。一旦激光被激發(fā)，他們就會(huì)連續(xù)的發(fā)射出連續(xù)模式的激光來。
圖4. 在保持掃描間距固定的時(shí)候改變垂直方向的偏移量所得到的結(jié)果
圖5. 工藝圖在激光功率分別為：(a) 60 W, (b) 80 W和 (c) 100 W的結(jié)果
▲圖6. (a)-(c) 示意的顯示在頭部-頭部的合并的時(shí)候的熔池的相互作用；（d）示意的顯示頭部-尾部的合并的時(shí)候熔池的熔道的截面
主要結(jié)論
經(jīng)過研究，我們得出的主要結(jié)論有，引入兩個(gè)參數(shù)，分別是掃描間距和垂直的平行偏析量，來排列兩個(gè)同一的激光束進(jìn)行SLM實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了完全合并和完全分離的兩個(gè)階段。這一過渡的階段導(dǎo)致了周期性的結(jié)構(gòu)存在，從而造成采用單激光束進(jìn)行傳統(tǒng)的SLM制造的時(shí)候是很難進(jìn)行制造的。對(duì)于給定的激光功率，周期性的結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)在特定的掃描間距和垂直的偏移量當(dāng)中。通常來說，為了獲得周期性的結(jié)構(gòu)，同時(shí)需要掃描間距和垂直的偏移量隨著功率的增加而增加。
研究周期性波長(zhǎng)和形成機(jī)理的時(shí)候，揭示出這里存在兩個(gè)情形，頭部到頭部和頭部到尾部的合并。頭部到頭部的合并情形發(fā)生在當(dāng)垂直的偏移量小于兩個(gè)激光所產(chǎn)生的熔池的半長(zhǎng)度的時(shí)候。頭部到尾部的合并發(fā)生在當(dāng)垂直的偏移量比較大的情形。通常來說，頭部到頭部情形的波長(zhǎng)隨著垂直偏移量的增加而降低，而波長(zhǎng)隨著在頭部到尾部情形下的垂直偏移量的增加而線性增加。同時(shí)，通過使用熔池的長(zhǎng)度來標(biāo)準(zhǔn)化垂直的偏移量和波長(zhǎng)，研究人員發(fā)現(xiàn)不同的激光功率陷入到一個(gè)單個(gè)的模式的時(shí)候所產(chǎn)生的波長(zhǎng)，前提是到路線同垂直偏移量相反的時(shí)候。
在接下來的研究中，研究人員將會(huì)進(jìn)一步的探究采用兩個(gè)激光束所得到的周期性結(jié)構(gòu)的加工工藝。例如，采用較高的掃描速度和較高的激光功率得到的長(zhǎng)的熔池也許有利于用來使得這一結(jié)論重新生效。這一雙激光束的設(shè)置可以有利于采用雙激光束進(jìn)行常規(guī)的增材制造來實(shí)現(xiàn)高速的制造和有可能獲得表面粗糙度比較好的結(jié)果。同時(shí)，我們將會(huì)分析采用這一新技術(shù)如何獲得較好的組織。我們相信，當(dāng)這一辦法產(chǎn)生不同的能量分布的時(shí)候，其隨后的熔池會(huì)同傳統(tǒng)的SLM有所不同。其得到的顯微組織，包括晶粒尺寸和晶粒的方位以及可能的氣孔分布等，將會(huì)同傳統(tǒng)的SLM有所不同。在這樣的情形下，這一辦法將會(huì)獲得特定的顯微組織和影響最終的局部的材料的性能。
▲圖7. 熔池熔道在不同的垂直偏移量的條件下所得到的顯微組織：(a) 30μm，(b) 105μm, (c) 255μm。以上三種條件均為激光功率為80W，掃描速度為150mm/s和掃描的間距為150μm
▲圖98. 兩個(gè)激光束在沒有添加粉末的時(shí)候熔化材料表面所得到的熔道的金相照片
延伸閱讀：
文章來源：Acta Materialia，Volume 201, December 2020, Pages 14-22，Using a dual-laser system to create periodic coalescence in laser powder bed fusion，
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