LLNL研究人員使用激光束整形來增強(qiáng)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(yīng)用中具有很大的潛力，但這個(gè)過程缺乏對(duì)產(chǎn)品一致性的控制，成為進(jìn)入到生產(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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室（LLNL）正在努力開發(fā)一種新的基于算法科學(xué)的增材制造設(shè)計(jì)策略，該策略可以通過使用定制和模擬驅(qū)動(dòng)的光源來控制傳導(dǎo)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。
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光束橢圓度與微觀結(jié)構(gòu)
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從生物打印血管，使用3D打印控制反應(yīng)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(yàn)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)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(duì)微觀結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生影響的局部熱傳導(dǎo)活動(dòng)的控制，來自過程監(jiān)測的數(shù)據(jù)有限而導(dǎo)致對(duì)過程的預(yù)測能力不足。
勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究結(jié)果表明，光束調(diào)制提供了位點(diǎn)特定的微觀結(jié)構(gòu)控制，這些結(jié)果可以通過熔池動(dòng)力學(xué)和熱分布的有限元建模來解釋。該團(tuán)隊(duì)使用的是簡單的光束整形光學(xué)元件，理論上在商業(yè)化層面上可以實(shí)現(xiàn)。
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因此，通過利用這種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)備上進(jìn)行了對(duì)316L不銹鋼粉末的加工。在單軌激光熔化實(shí)驗(yàn)期間使用316L不銹鋼基板。在他們的LPBF測試平臺(tái)中，該團(tuán)隊(duì)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(shí)際的粒度分布和隨機(jī)粒子堆積，然后通過使用激光射線追蹤算法模擬激光與實(shí)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(jì)算時(shí)間，掃描速度設(shè)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(duì)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(duì)等軸晶的形成是有利的”，與光束橢圓度無關(guān)。當(dāng)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)候可以通過改變光束橢圓率來實(shí)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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。
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研究人員還研究了高斯和橢圓激光強(qiáng)度分布對(duì)單軌微觀結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)激光加熱發(fā)生熱傳導(dǎo)模式時(shí)，橢圓形強(qiáng)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(qiáng)度和空間輪廓來定制，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(yàn)室（LLNL）在2017年就創(chuàng)造了三倍的強(qiáng)度的超強(qiáng)耐腐蝕不銹鋼316L，LLNL聯(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(yàn)室的科學(xué)家們通過改變加工參數(shù)和過程控制來提高零件的力學(xué)性能。通過控制激光能量以及采取快速冷卻的過程，科研人員獲得了更加致密的零件加工結(jié)果。
