LLNL研究人員使用激光束整形來增強金屬3D打印過程中的特性

雖然金屬LPBF粉末床激光熔融3D打印技術(shù)在各種應用中具有很大的潛力，但這個過程缺乏對產(chǎn)品一致性的控制，成為進入到生產(chǎn)領域的一大限制因素。為了推動金屬LPBF粉末床激光熔融3D打印技術(shù)從快速原型設計思維到快速制造，重要的是要深入了解影響加工工藝的因素，從而提高增材制造過程控制。為此，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）正在努力開發(fā)一種新的基于算法科學的增材制造設計策略，該策略可以通過使用定制和模擬驅(qū)動的光源來控制傳導熱。

科研人員將研究結(jié)果發(fā)表成論文 “Spatial modulation of laser sources for microstructural control of additively manufactured metals”（“通過空間調(diào)制激光源用于控制金屬微觀結(jié)構(gòu)”），其中他們展示了在LPBF 3D打印過程中如何控制光束橢圓度用于微結(jié)構(gòu)控制。

光束橢圓度與微觀結(jié)構(gòu)
從生物打印血管，使用3D打印控制反應材料到3D打印納米多孔金以及研究金屬3D打印缺陷，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家因其令人印象深刻的3D打印材料工作而聞名。

最常用于金屬3D打印的合金，如316L不銹鋼，鈦合金如Ti-6Al-4V，Inconel 718/625高溫合金，以及鋁合金如Al-Cu-Mg-Sc-Si，這些材料基本上是為傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程開發(fā)的，并不是專門為增材制造加工工藝開發(fā)的。不適合的材料原料，以及缺乏對微觀結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生影響的局部熱傳導活動的控制，來自過程監(jiān)測的數(shù)據(jù)有限而導致對過程的預測能力不足。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究結(jié)果表明，光束調(diào)制提供了位點特定的微觀結(jié)構(gòu)控制，這些結(jié)果可以通過熔池動力學和熱分布的有限元建模來解釋。該團隊使用的是簡單的光束整形光學元件，理論上在商業(yè)化層面上可以實現(xiàn)。

因此，通過利用這種光學系統(tǒng)設計熱梯度，可以通過在構(gòu)建過程中調(diào)制光束形狀來控制特定位置的等軸或柱狀晶粒，研究人員在Concept Laser的設備上進行了對316L不銹鋼粉末的加工。在單軌激光熔化實驗期間使用316L不銹鋼基板。在他們的LPBF測試平臺中，該團隊通過50毫米FL透鏡來控制600 W光纖激光器的光束。

利用LLNL的ALE3D數(shù)值模擬軟件工具，研究人員模擬了實際的粒度分布和隨機粒子堆積，然后通過使用激光射線追蹤算法模擬激光與實際粉末床的相互作用。通過混合有限元法解決了三維模型在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的元素和有限體積公式。為了節(jié)省計算時間，掃描速度設定為1800mm / s，能量密度為61J / mm 3。

使用LLNL的ALE3D代碼模擬激光模型相互作用，可以研究光束形狀對軌道宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究人員確定“較低的激光功率下凝固對等軸晶的形成是有利的”，與光束橢圓度無關(guān)。當功率和掃描速度上升時，柱狀晶粒的濃度通常增加，這時候可以通過改變光束橢圓率來實現(xiàn)特定位置的微觀結(jié)構(gòu)控制。此外，使用交替光束形狀的完整構(gòu)建甚至可以實現(xiàn)更復雜的微結(jié)構(gòu)。

研究人員還研究了高斯和橢圓激光強度分布對單軌微觀結(jié)構(gòu)的影響。當激光加熱發(fā)生熱傳導模式時，橢圓形強度的光斑比圓形輪廓的光斑在大得多的參數(shù)空間上產(chǎn)生等軸或混合等軸柱狀晶粒。這表明晶粒形態(tài)可以通過改變光束強度和空間輪廓來定制，同時保持恒定的激光功率和掃描速度。

來源：3D科學谷