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(gè)過(guò)程缺乏對產(chǎn)(chǎn)品一致性的控制，成為進(jìn)入到生產(chǎn)(chǎn)領(lǐng)域的一大限制因素。

為了推動(dòng)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(guò)程控制。為此，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）正在努力開(kāi)發(fā)(fā)一種新的基于算法科學(xué)的增材制造設計策略，該策略可以通過(guò)使用定制和模擬驅(qū)動(dòng)的光源來(lái)控制傳導熱?？蒲腥藛T將研究結果發(fā)(fā)表成論文 “Spatial modulation of laser sources for microstructural control of additively manufactured metals”（“通過(guò)空間調(diào)制激光源用于控制金屬微觀(guān)結構”），其中他們展示了在LPBF 3D打印過(guò)程中如何控制光束橢圓度用于微結構控制。

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光束橢圓度與微觀(guān)結構

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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(shí)驗室（LLNL）的科學(xué)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)(chǎn)流程開(kāi)發(fā)(fā)的，并不是專(zhuān)門(mén)為增材制造加工工藝開(kāi)發(fā)(fā)的。不適合的材料原料，以及缺乏對微觀(guān)結構形成產(chǎn)(chǎn)生影響的局部熱傳導活動(dòng)的控制，來(lái)自過(guò)程監(jiān)測的數(shù)據(jù)有限而導致對過(guò)程的預測能力不足。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）的研究結果表明，光束調(diào)制提供了位點(diǎn)特定的微觀(guān)結構控制，這些結果可以通過(guò)熔池動(dòng)力學(xué)和熱分布的有限元建模來(lái)解釋。該團隊使用的是簡(jiǎn)單的光束整形光學(xué)元件，理論上在商業(yè)(yè)化層面上可以實(shí)現(xiàn)。

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因此，通過(guò)利用這種光學(xué)系統(tǒng)設計熱梯度，可以通過(guò)在構建過(guò)程中調(diào)制光束形狀來(lái)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(jìn)行了對316L不銹鋼粉末的加工。在單軌激光熔化實(shí)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(guò)50毫米FL透鏡來(lái)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(shí)際的粒度分布和隨機粒子堆積，然后通過(guò)使用激光射線(xiàn)追蹤算法模擬激光與實(shí)際粉末床的相互作用。通過(guò)混合有限元法解決了三維模型在非結構化網(wǎng)(wǎng)格上的元素和有限體積公式。為了節(jié)省計算時(shí)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(guān)和微觀(guān)結構的影響。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(wú)關(guān)。當功率和掃描速度上升時(shí)，柱狀晶粒的濃度通常增加，這時(shí)候可以通過(guò)改變光束橢圓率來(lái)實(shí)現(xiàn)特定位置的微觀(guān)結構控制。此外，使用交替光束形狀的完整構建甚至可以實(shí)現(xiàn)更復雜的微結構。

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研究人員還研究了高斯和橢圓激光強度分布對單軌微觀(guān)結構的影響。當激光加熱發(fā)(fā)生熱傳導模式時(shí)，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)(chǎn)生等軸或混合等軸柱狀晶粒。這表明晶粒形態(tài)(tài)可以通過(guò)改變光束強度和空間輪廓來(lái)定制，同時(shí)保持恒定的激光功率和掃描速度。

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勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）在2017年就創(chuàng )(chuàng)造了三倍的強度的超強耐腐蝕不銹鋼316L，LLNL聯(lián)(lián)合喬治亞理工大學(xué)和美國俄勒岡州立大學(xué)的阿姆斯國家實(shí)驗室的科學(xué)家們通過(guò)改變加工參數(shù)和過(guò)程控制來(lái)提高零件的力學(xué)性能。通過(guò)控制激光能量以及采取快速冷卻的過(guò)程，科研人員獲得了更加致密的零件加工結果。