雖然激光3D打印技術通過極大地擴展設計復雜性而徹底改變了金屬零件的生產，但不可否認傳統上用于金屬打印的激光束尚不完美，可能導致缺陷和較差的機械性能。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員正在探索高功率激光打印（如粉末床激光熔融LPBF）中常用的高斯光束的替代形狀，以解決此問題。他們的最新研究被發表在《Science Advances》上。
研究人員用貝塞爾光束這一形狀獨特的光束進行了實驗，此光束具有特殊的無衍射及自愈性。研究發現，這種光束的應用降低了孔隙和“匙孔”形成的可能性，LPBF中高斯光束的應用造成了“匙孔”這種氣孔誘導現象的出現。
該項工作表明，貝塞爾光束等替代形狀可以緩解LBPF技術中的主要問題——激光與金屬粉末相遇時會出現較大熱梯度和不穩定的復雜熔池。這些問題主要是由高功率激光系統輸出的高斯光束形狀引起的。
LLNL研究科學家、該研究的主要作者 Tumkur Umanath說: “使用高斯光束特別像用噴火器來烹飪食物——難以很好地控制熱量在目標材料周圍沉積。使用貝塞爾光束，我們可將一部分能量從中心重新分散出去，這意味著我們可以設計熱剖面、降低熱梯度，以助力微觀結構晶粒細化，最終形成更光滑的表面、獲得更致密的元件。”
各光束轉換(左下為貝塞爾光束輸出） 來源：www.wnlo.cn
貝塞爾光束超越了傳統的高斯光束形狀，顯著擴展了激光掃描參數，避免了傳統光束帶來的諸多問題。研究的預期結果是熔池不會太淺，也不會出現匙孔。在傳統光束中，激光會產生強烈的蒸氣，并在構建過程中在金屬基底中形成一個深腔。匙孔會在熔池中產生氣泡，形成氣孔，導致成品零件的機械性能下降。
傳統光束的另一個缺點是它們在傳播時易衍射，而貝塞爾光束因其非衍射特性提供了更大的焦深。研究人員使用貝塞爾光束時觀察到工件相對于激光焦點的貼裝公差增加。對于工業系統來說，貼裝是一項挑戰，因為工業系統通常依賴昂貴且敏感的技術，在每層金屬粉末沉積時，將其定位在聚焦光束的焦深內。
Tumkur解釋道：“貝塞爾光束因其無衍射和自修復特性，已被廣泛應用于成像、顯微鏡和其他光學應用中，但光束整形在激光制造應用中還未普及。我們的研究解決了金屬增材制造領域中光學物理和材料工程之間脫節的問題，通過整合、設計光束形狀來實現對熔池動力學的控制。”
LLNL團隊通過讓激光穿過兩個圓錐形透鏡來對光束進行“整形”，然后讓它穿過其他光學器件和掃描器，在中心光束周圍形成環狀。研究人員使用實驗室的商用印刷機，用該實驗裝置從不銹鋼粉末中打印出了立方體和其他形狀。通過高速成像，研究人員研究了熔池動力學，觀察到熔池湍流大幅減少、“飛濺”有所緩解。飛濺是指熔融金屬顆粒從激光路徑上飛出，通常會導致孔隙的形成。
在機械研究和模擬中，該團隊發現，用貝塞爾光束構建的零件比用傳統高斯光束構建的結構更致密、更堅固，并且具有更優秀的拉伸性能。該項目的首席研究員Ibo Matthews表示: “工業界長期以來一直在尋求提高對LPBF流程的控制能力，以最大限度地減少缺陷。在光束中引入復雜的結構增加了靈活性，可以精確控制激光與材料的相互作用、熱沉積以及最終的打印質量。”
LLNL計算機科學家Saad Khairallah使用LLNL開發的multiphysics代碼ALE3D來模擬高斯和貝塞爾光束激光形狀與金屬粉末材料單個軌跡的相互作用。通過比較軌跡，他們發現貝塞爾光束比高斯光束表現出更好的熱梯度，推動更好顯微結構的形成。與此同時，他們還利用貝塞爾光束實現了更好的能量分布，避免了高斯光束中“熱點”的形成，一旦形成“熱點”，會產生深熔池并形成孔隙。
“光束整形只是LLNL正在研究的提高3D打印金屬零件質量的諸多途徑其中的一個，該方法通過整合簡單的光學元件，可以減少高斯光束制造零件通常需要的后處理技術所涉及的費用、縮短時間，比交替掃描成本更具明顯優勢。堅固且無缺陷的零件生產以及以經濟高效的方式印刷大型結構是大勢所趨。為了使3D打印真正與工業標準兼容、超越傳統的制造方法、避免交替掃描技術帶來的集成性挑戰，需要不斷探索光束整形，使其廣泛應用于各種金屬的印刷，并將其納入商業印刷系統。”
作為與通用電氣全球研發中心持續合作的一部分，LLNL的研究人員目前正在試驗其他光束整形策略，并計劃研究復雜的激光束和偏振整形方法，以更好地控制印刷零件的質量。
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