Part2: LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化，洞悉修拉金属3D打印面前的技能

依据3D科学谷此前的分享，2021年7月，LLNL美国国度试验室孵化的企业Seurat Technologies （修拉技能）完成了 4100 万美元的 B 轮融资，由 Capricorn 基金领投。加上此前的1350万的A轮融资，修拉技能共融资5450万美金（约合人民币3.4亿）。

依据3D科学谷的相识，Seurat Technologies 发明白一种新鲜的地区打印要领，有大概突破当今金属增材制造的限定。这项新技能并没有增添激光源的数目，而是利用一种全新的光束利用要领来增添每次熔化的体积。固然通常的金属 AM 体系的光斑直径为 100 微米，但 Seurat 体系可将 200 万个激光点传送到粉末床地区中，每个光点的直径约为 10 微米。利用这种要领，Seurat 可以同时大幅进步构建速率，同时还可以进步辨别率。与其他单一激光体系相比，Seurat TechnologiesTM 将构建速率进步了 1000 倍。

公司的名称鉴戒于印象画派（点彩派）的首创人修拉Georges Seurat，Seurat Technologies-修拉背后的技能是怎样与点彩派的画法产生联络的呢？3D科学谷联合ScienceDirect上的“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”论文分三期来深度洞悉这项技能的道理，本期为第二部门。

修拉的大面积脉冲激光粉末床熔化金属3D打印技能© Seurat修拉

脉冲激光粉床缺陷模仿试验

3 高速成像、模仿、挑衅与计谋

3.1.高速成像

这里利用的地区熔化历程包罗两个步调，(1) 预热步调，此中粉末被二极管激光器选择性地照耀，使粉末的温度恰好低于熔点；(2) 熔化步调，此中猛烈的单一激光脉冲将预热的粉末敏捷熔化并固化成单层，并融合到基材外貌（图 1）。约莫 4600 W/cm2 的激光能量密度提供了充足的基板加热，而不会过早熔化粉末并导致液体粉末颗粒聚结成更大的珠子。

为了可以或许轻松比力各个试验和模仿，并最大限度地淘汰差别激光条件的改变，在每个试验和模仿中，脉冲激光利用雷同的脉冲长度和能量。发觉所利用的激光参数给出了最可重复的效果。在模仿和试验中仅利用层厚度和粉末粒径的改变来确定打印历程中的重要物理特性以及粉末特性对缺陷形成的相对影响。

尺寸范畴为 15-32 µm (27 µm) 和典范层厚为 40 µm 的不锈钢 316L 粉末的熔化通过高速成像被捕捉，如图 2 所示。可以看到激光“瓷砖”图案的表面在图 2a 和 b 中，随着激光强度降落（0 μs 和 1 μs）。

可以看到粉末敏捷熔化并陆续凝集成更大的液滴，直到 40 μs，并终极形成一些较宽的液体地区，如 40 和 100 μs 之间的暗区所见。约莫 100 μs 后，液体险些静止扩张并开始凝集。

山状特性显着为亮点，坑状特性为灰点。暗区表现金属相对平展且没有显着将光散射回相机镜头的地区。请细致，在任何层中都没有观看到液体飞溅的喷射。这在这个历程中是典范的，金相横截面评释，在这些试验中，熔体进入基材的深度约为 5–10 μm。

图 2. LAPBF 的高速成像影片 [二极管 4600 W/cm2 连续 8 ms，YAG ~26 J/cm2，10 ns – 100 μs [脉冲长度 Seurat 专有]) 表现正在打印的一块“瓷砖”。

© Science Direct

这部门是在 2 MHz（0.5 μs 的帧间距）下拍摄的。粉末厚度为 40 µm，利用 27 µm 的粉末尺寸。二极管激光器和脉冲激光器的眩光可以在 a,b) 中观看到。时间 t = 0，对应于高功率激光脉冲。激光“瓷砖”尺寸为2 mm × 2 mm。熔化的粉末颗粒会敏捷聚结，并在 5 μs 内紧缩。液体活动大部门在约莫 100 μs 后完成（拜见视频）。

3.2. 模仿：激光和流体物理

为了深入相识这些“山丘”和凹坑特性形成的物理历程，研究职员利用多物理代码对比射 500 µm x 500 µm 地区的脉冲激光举行了模仿，如图 3 所示，模仿盒尺寸为 700 µm × 700 µm × 100 µm。为了淘汰模仿二极管激光器预热的盘算本钱，初始温度设置为 1633 K(约889摄氏度℃)（一维热模子猜测的外貌温度），二极管加热外貌 150 μs 以创建温度梯度。

图 3. ALE3D 模子表现了 ~26 J/cm2 熔化脉冲（10 ns–100 μs（脉冲长度 Seurat 专有））动力学的差别阶段。50 µm 厚的直径为 35 µm 的粉末颗粒层用作肇始层。粉末颗粒的顶部在 2 μs (b) 时到达沸腾温度，今后马上产生聚结。液体活动根本上在 100 μs (e) 时完成。凹坑缺陷此时形成但稍后固化。随着凝集的陆续，因为外貌张力和流体流淌将液体吸入中间 (e, f)，在液体中间开始形成山丘型缺陷。

© Science Direct

图 3 中的模仿是依据研究职员在图 2 中的高速数据设置的镜像条件，并利用 35 μm 的粉末直径和 50 μm 的层厚度（试验均匀值为 27 μm 直径r，50 μm 厚度）。模仿设置用于观看高强度激光脉冲时期产生的情形。模仿利用匀称的激光强度（纰漏现实激光表面中的少量散斑，典范的干系脉冲激光）和丈量的高强度脉冲的激光强度与时间的干系。估计这种简化不会对模仿孕育发生很大影响，由于散斑引起的强度改变很小，而且当激光因为传导而封闭时，因为强度改变引起的任何局部温度改变都市敏捷消除。

图 3a 表现了脉冲激光启动前的温度漫衍。在 2 μs（图 3b）时，粉末的顶部处于沸腾温度，由玄色表面表现。与在传统 LPBF 的试验和模仿中观看到的雷同，因为液态金属在沸点引起的蒸汽喷射导致液体中的向下力。这导致熔融粉末颗粒变形和变平，增添了颗粒半径，并许可在先前未打仗的相邻颗粒之间形成颈部（图 3c）。蒸气压的作用用于将粉末凝结成更具凝集力的层。今后，熔融颗粒的聚结开始并连续到约莫 30 μs。然后液体开始通过传导熔化外貌并扩散到它可以或许润湿外貌的全部地区。

100 μs后（图3e），液体活动险些完成，边沿开始凝集，雷同于高速成像中观看到的。在激光脉冲时期基板外貌没有熔化的一些地区形成凹坑特性，由于液体不克不及简单地流入这些地区，由于没有充实加热以使其熔化。上覆的熔融粉末颗粒没有充足的储存热量来熔化基材外貌。在其他地区，已形成的凹坑特性（图 3e）可以或许被液体笼罩，由于充足的热能从熔融液体转移到外貌使其熔化，从而使液体润湿和流淌（图 3f） .随着凝集的陆续和边沿的凝集，流体流淌和外貌张力将液体吸入中间并在瓷砖中间孕育发生山丘型特性。

对该模仿的进一步查抄评释，凹坑和山丘特性受到基底暗影和因为温度梯度孕育发生的 Marangoni 流体流的猛烈影响。图 4 表现了由程度流体速率（x 重量）表现的雷同模仿。赤色表现向右的流体速率，蓝色表现向左的流体速率。在图 4d 中可以看出，在 110 μs 处，流体流淌加深了一个“坑”特性并升高了一个“山丘”特性，并连续到今后的时间。玄色箭头表现要素周边的流体流淌偏向。已经观看到通例 LPBF 中的雷同成效。

激光脉冲的光芒追踪阐发评释，基板上的冷点是由上覆粉末颗粒的暗影形成的，拦阻了激光脉冲有用加热基板（图 4 中的虚线圆圈）。虚线圆圈表现在该地区跟踪坑特性形成的雷同位置。就像在传统的 LPBF 工艺中一样，将能量耦合到基材中对付完全凝结质料很紧张；假如激光能量没有在精确的位置被有用汲取，则大概会形成缺陷。

图 4. 流体流速的程度偏向（x 重量）来自与图 3 雷同的模仿，以赤色和蓝色表现。赤色表现流体向右移动，蓝色表现向左移动。在凹坑和山丘缺陷周边，流体分别阔别和流向这些特性。虚线圆圈表现了基板暗影地区 (a) 的位置，该地区在今后的时间 (b-f) 会导致凹坑缺陷。小箭头表现外貌速率偏向。

© Science Direct

因为暗影效应猛烈影响激光加热基板的本领，是以利用与图 3 中雷同的粉末尺寸 (35 μm) 举行模仿，但利用雷同的初始条件和激光运行单个单层粉末能量和注量（图 5）。单个单层应该有更多的激光穿透到基板。利用单层的模仿与利用较厚层的模仿体现出显着差别的举动。2 μs 的温度漫衍评释，颗粒外貌和曩昔一样处于沸腾温度，但由于基底外貌没有被粉末明显遮挡，并且更多的外貌靠近熔化温度 (1700 K)(约926摄氏度℃) .其成效是熔融颗粒可以或许将热量通报到外貌，将其熔化、润湿。

然后向外流成平展的一层，到 25 μs 时，液体活动险些完成，该层凝集成一个平展的、无特性的层。熔体进入基板的深度丈量为约莫 10 µm（通过横截面试验确认），非常靠近热长度 √(Dt)，为 11 µm（ t = 25 µs [液体活动时间]和 316L SS 的扩散率 [D = 0.05 cm2/s]）。

图 5. 35 μm 直径粉末的单层粉末模仿。激光参数与图 3、图 4 中的雷同。外貌的完全润湿是因为外貌熔化增添而孕育发生的，并导致形成平展、无特性的层。

© Science Direct

这提出了一个题目，即单层大粉末是否会孕育发生雷同的效果，加热基材是否许可熔化粉末的终极平展形态。图 6 表现了利用雷同激光条件和 50 μm 粉末单层的模仿。模仿表现了“大坑”和“山”缺陷，与 c 中表现的试验形态非常相似，利用雷同的粉末尺寸和厚度。明显，利用较大的粉末不会导致平展的层形态。假如思量到热扩散到层中，则不良形态可直接归因于时间不敷以使粉末颗粒熔化。熔化时间可以估量为 a2/D，此中 a 是熔化深度。对付 a = 10 μm，熔化时间比脉冲连续时间（1 μs 级）长一个数目级以上。这解说了为什么在模仿和试验中，小直径的粉末可以充实熔化成平滑的层，而 50 μm 的粉末则不克不及。

图 6. 模仿（a）利用直径为 50 μm 的单层粉末，（b）激光曝光后和（c）试验效果的光学图像（以与模仿雷同的比例表现，即雷同的比例尺）利用50 µm 厚的一层中含有 54 µm 的粉末。

© Science Direct

为了确认模仿的猜测是精确的，对粉末厚度减小的单层举行了拍摄，并利用一系列层厚打印了单柱。图 7a-c 表现了单个 30 μm 厚粉末层（27 μm 直径）的高速成像，底层相对平展且无特性，粉末层平滑。层厚度应雷同于模仿中利用的单层，但因为粒度漫衍而存在一些较小的颗粒。正如模仿所猜测的那样，所得层（图 7b）表现出比利用 40 μm 厚层时更好的腻滑度。

在图 7c 中实验通过跟踪图像活动来确认该层的缺陷淘汰，该活动被发觉雷同于受照耀的液体活动面积，由于在熔化历程中根本上不存在其他粉末活动。该图像是通过猎取高速视频中相邻帧之间的差别并将全部这些差别图像相加为一张图像来构建的。因为每个差别图像跟踪外貌的局部活动，总和图像跟踪熔化和聚结后外貌的总活动。当液态熔融粉末颗粒聚结而且液体流入更平展的层时，可以通过对帧之间的差别求和来跟踪活动。

亮强度表现显着的液体活动，暗强度表现外貌没有活动。该图像给出了液体存在位置的定性意义。没有活动（暗中）的位置大概连结固体（由于液领会趋于芯吸）而且更有大概形成山丘或凹坑特性。可以看出它在整个“补丁”中相对腻滑，评释流体活动漫衍精良，而且大概形成的缺陷很少。

图 7. 利用 27 µm 直径粉末、30 µm 层厚的单层打印（4600 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脉冲长度 Seurat 专有））。(a) 散布的粉末层平滑，没有大的缺陷，导致 (b) 平滑的打印层（暗区）。(c) 整个贴片的液体活动相对匀称。表现了利用三个独立层厚度 (d) 的构建，突出表现了利用较厚粉末层时孕育发生的缺陷。利用 20 μm 厚的层，到达的密度为 99.5%。熔体工艺的进一步优化 (e) 随后可以或许始终如一地实现凌驾 99.8% 的密度。

© Science Direct

在图 7d 中，表现了在连结激光参数稳定的情形下在整个高度利用差别层厚度构建的支柱。40 μm 的层厚导致大量孔隙，实现ng 理论密度的 96.5%。将层厚淘汰到 30 µm，密度增添到 99.0%。利用 20 μm 层发觉最佳密度，通过光学截面丈量到达理论密度的 99.5%。固然零件太小，无法通过阿基米德要领举行可靠丈量，但在高密度下，光学显微镜的效果通常非常靠近阿基米德要领。熔体工艺的进一步优化（4800 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脉冲长度- Seurat提供 ）随后可以或许始终如一地实现凌驾 99.8% 的密度。图 7e 表现了在垂直堆叠的整个构建历程中密度始终 > 99.8% 的大范围样本。

l 下载pdf英文版论文，请根据文后提示申请参加3D科学谷QQ群。

网站投稿请发送至[email protected]