激光束成形如何推进3D打印过程

3D打印允许使用材料层从3D模型文件生成物理对象来形成几乎任何形状。然而，当在该过程中使用常规激光束时，例如那些利用高斯光束形状的欧洲杯足球竞彩激光束，往往会出现问题。

然而，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员已经决定通过研究替代光束形状来解决3D打印过程中传统激光束带来的挑战。

通过探索新型光束形状(如贝塞尔光束)的潜在好处，LLNL的团队希望找到一种方法，以防止通常导致机械性能欠佳的问题，消除缺陷，并减少3D打印金属部件的孔隙率。

克服障碍

大多数标准高功率激光系统使用高斯光束形状，这一事实推动了克服3D打印相关挑战的需求

使用高斯光束很像使用火焰喷射器烹饪食物；你无法控制材料周围的热量沉积方式。

该研究的主要作者、LLNL研究科学家Thej Tumkur Umanath说

由于基于激光的3D打印工艺在创建金属零件时需要创新、复杂的设计，因此需要防止任何潜在的基于机械性能的问题变得至关重要。

因此，已经进行了重大的研究，试图改善激光粉末床熔化(LPBF)打印技术，以减少机械缺陷和防止孔隙问题最小化。

然而，这项研究已经走了好几条不同的道路，包括用led代替激光来熔化LPBF过程中的能量，生产带有嵌入式传感器的“智能”基板，并控制建造室中的热量水平以减少扭曲和压力。^2,3

然而，LLNL团队正在探索如何使用成本相对较低的激光束整形方法来改进LPBF工艺，使用创新的光束形状（如贝塞尔光束）来克服障碍。

贝塞尔光束的优点

LLNL小组认为贝塞尔光束的无衍射特性可以提高聚焦深度，因为当它们传播时，它们不会分裂。贝塞尔光束的模式类似于靶心，而且不衍射，具有自愈特性。

高斯光束的传统使用可能会有问题，因为热梯度往往会在激光与金属粉末相遇的地方被放大，造成熔池的不稳定性。高斯光束的另一个潜在缺陷是钥匙孔，这损害了完成零件的机械性能。

然而，贝塞尔光束聚焦的深度更大，使得公司可以避免成本高昂的额外过程，例如每次铺设金属电源时，都要重新定位建筑。

我们的工作通过结合设计师光束形状来实现对熔池动态的控制，解决了金属增材制造领域中光学物理和材料工程之间的表面脱节。欧洲杯足球竞彩

该研究的主要作者、LLNL研究科学家Thej Tumkur Umanath说

贝塞尔和高斯

在研究光束整形时，LLNL团队将激光通过两个锥形透镜，形成了一个甜甜圈形状。为了产生类似于靶心的形状，该团队随后将激光通过额外的光学设备和扫描仪，在中央光束上产生了环形。

为了确定研究结果，该团队随后使用高速成像来观察熔池动态。结果表明，与高斯光束形状相比，贝塞尔光束形状导致熔池湍流和飞溅显著下降。

该团队确定，通过限制从激光路径喷射的熔融金属颗粒的数量，可以减少孔隙率的问题，因为往往是溅射效应导致了孔隙的形成。欧洲杯猜球平台

在激光束中引入复杂结构增加了灵活性，可精确控制激光与材料的相互作用、热沉积以及最终的打印质量。

伊博·马修斯，该研究的主要研究者

LLNL的研究人员还进行了一些力学研究和模拟，确定使用贝塞尔光束制造的零件更坚固、更致密，并具有很强的拉伸性能。

此外，贝塞尔光束的热梯度比高斯光束要好得多，因为它们限制了“热点”的出现，从而促进了更好的微结构形成。

下一步

当考虑到激光光束整形如何能推进3D打印工艺，并提高使用LPBF技术生产的金属零件的状况时，新的光束形状似乎是朝着正确方向迈出的一步。

LLNL的研究人员着手解决与传统梁形状相关的问题，避免缺陷并改善机械性能。通过对光束形状进行实验，并使用简单的光学元件产生贝塞尔光束，该团队还能够保持相对较低的成本，并防止劳动密集型后处理方法。

作为LLNL与GE Global Research合作的一部分，该团队继续对新型光束形状进行实验。

下一阶段的研究和开发包括开发复杂的激光束和偏振整形方法，以进一步提高3D打印零件的条件。

参考文献和进一步阅读

1.https://3dprintingindustry.com/news/researchers-seek-to-improve-lpbf-metal-3d-printing-with-laser-beam-shaping-196814/

2.https://3dprintingindustry.com/news/fabrisonic-ewi-luna-innovations-develop-smart-baseplate-for-lpbf-additive-manufacturing-analysis-163431/

3.https://3dprintingindustry.com/news/fraunhofer-ilt-to-present-new-low-distortion-lpbf-3d-printing-at-formnext-2018-141141/

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