LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化，洞悉修拉金属3D打印背后的技术(一)
2021年7月，LLNL美国国家实验室孵化的企业Seurat Technologies （修拉技术）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，修拉技术共融资5450万美金（约合人民币3.4亿）。Seurat通过进一步降低制造成本来打入更大的市场。使用Seurat第一代机器，可实现约 300 美元/公斤的制造成本，这可能使市场规模增加一倍。预计Seurat 2024 年推出的第二代系统以及 2027 年和 2030 年的后续系统将真正改变游戏规则。Seurat的GenX 将制造成本降低至 25 美元/公斤以下，从而开启更大的金属制造市场。公司的名称借鉴于印象画派（点彩派）的创始人修拉Georges Seurat，修拉背后的技术是如何与点彩派的画法发生联系的呢？3D科学谷结合ScienceDirect上的“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”论文分期来深度洞悉这项技术的原理。
修拉的大面积脉冲激光粉末床熔化金属3D打印技术© Seurat修拉
简单的思路开辟新探索空间
金属增材制造 (AM) 在增强众多行业的产品附加值制造能力方面具有巨大潜力，增材制造可以生产用减材技术无法在零件中制造的几何形状，并且可以减少制造过程中产生的废料量，从而降低成本。尽管如此，由于目前工艺速度的限制，金属增材制造在大批量制造中尚未获得显着的市场份额，这极大地影响了可实现的每件生产价格。
制造零件的速度受限于材料熔化和固化到下层零件中的速度。在典型的激光粉末床熔化 (LPBF) 工艺中，零件以激光扫描的串行方式构建，通过激光扫描以创建一条固化材料的线，并重复多条线以创建一个层。金属的生产速度受到材料熔化和熔合到底层基材的速度的限制，虽然多个热 [激光] 源和更多的激光功率可以提高构建速度，但会增加额外的控制挑战。此外，保持多个激光器对齐并同等利用并非易事。
另一种金属 AM 增材制造工艺是电子束熔化 (EBM)，以足够的速度对电子束进行光栅化，以模拟大面积热源。然而，EBM 需要在真空中操作，并且需要预烧结相对较粗的粉末。与激光加工相比，这些因素导致更粗糙的表面和更大的最小特征尺寸。
修拉所使用的LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化技术的原理主要基于一个简练的思路：如果金属粉末的熔化与凝固从串行过程演变为并行过程，则粉末床增材制造的构建速度可能会显着加快。
在这项工作中，通过高速成像和高保真物理模拟研究了 316L 不锈钢中大面积脉冲激光粉末床熔化 (LAPBF) 的物理特性。不过快速与精确通常是相互矛盾的，大面积激光脉冲可以快速熔化金属粉末，但是快速熔化带来的熔化的颗粒快速聚结成更大的液滴。
那么如何取得这其中的平衡呢？“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”论文研究中使用的激光和金属粉末参数，大于 40 µm 的层厚度会导致添加材料在基材表面上的分布不均匀，从而增加多层打印中的孔隙率。通过模拟表明，可以通过覆盖在下方基材上的覆盖粉末颗粒并阻止过多的激光能量沉积到基材中来产生凹坑特征（凹坑特征可能导致孔隙）。
模拟表明，对于这些激光和粉末参数，使用较薄的粉末层将减少阴影并允许激光脉冲有效地加热基板，从而减少缺陷的形成。实施此更改最终在模拟中证明了获得 > 99.5% 密度的零件，在 316L 不锈钢打印中则是通过实验证明了获得 > 99.8% 密度的零件。
此外，在 LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化过程中观察到的飞溅非常少，这是激光粉末床熔化扩展到更大批量零件生产的已知障碍。这表明 LAPBF-大面积脉冲激光粉末床熔化可能能够生产高质量的材料，适用于关键应用，并可扩展到大批量生产。
脉冲激光粉床缺陷模拟实验
1 简介
LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺于 2013 年在劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次发明。该技术的基本原理基于传统的 LPBF，将一层粉末散布在构建板上，然后使用高功率激光熔化。
此过程的一个同样重要的区别是，使用光学寻址光阀 (OALV) 以高分辨率对激光器进行图案化。OALV 能够仅逐层熔化所需区域以制造三维部件，而激光提供熔化能量以熔化金属粉末。这种方法不同于其他商业上可用的选项，并且具有重要的商业利益，因为它提供了在不损失打印部件分辨率的情况下扩展到高构建率的潜力。例如，当前的小型演示区打印系统能够在 40 Hz 下熔化 5 × 5 mm 方形瓷砖，层厚为 25 µm，总构建速率为 90 cm3/h。如果与类似于 EOS M290 的行业标准机器进行比较，后者在相当的层厚度 (20 µm) 下以 7.2 cm3/h 的速率生产 316L。
尽管取得了这些进步，但LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺仍面临许多挑战。最重要的是，优化工艺参数以实现全密度的高质量零件在任何 AM-增材制造工艺中都是至关重要的。
由于 LAPBF 打印方法相对较新，因此对同时熔化大面积粉末的物理原理知之甚少。LLNL通过使用高保真模拟和高速成像来详细了解该过程、如何减轻缺陷。
首先，需要理解的是 LAPBF与LPBF 的相似之处和区别之处。在LPBF 激光粉末床熔化过程中，激光与粉末、基材和蒸汽的相互作用很重要。激光吸收率会随着粉末特性以及键孔的出现而改变。钥匙孔以及夹带的颗粒和喷出的液体可能会产生缺陷。LPBF 过程可能具有一些与 LAPBF 相似的物理效应，但并不导致熔融颗粒彼此之间的大规模集体相互作用，这是两个过程的区别。
那么，研究人员必须要搞清楚在此过程中哪些影响是重要的，与传统 LPBF 相比这些影响是如何发生变化的，哪些影响是有害的，以及如何避免这些影响。
2 方法
研究人员在先前的工作的基础上，并使用了类似的实验装置，通过OALV 创建了一种称为“瓷砖”的极化切换图案，然后将其投射到粉末床上（根据3D科学谷的了解，这与印象画派（点彩派）修拉Seurat的作画方式极为“神似”）。
在实验中，研究人员使用单个 Nd:YAG (1064 nm) 脉冲对金属粉末进行最终熔化以创建每个打印的“瓷砖”。虽然实验装置能够改变照明区域的形状以通过 OALV 实现任意几何形状，但在这项工作中，为了简单起见，使用了均匀强度 (2 mm × 2 mm) 的方形区域（方形瓷砖）。使用了两种不同尺寸分布的不锈钢 316L 粉末，15–32 µm (27 µm) 和 45–63 µm (54 µm) 切割，这里分别称为 27 µm 和 54 µm 粉末，指的是尺寸分布。
图 1. LAPBF 系统图© ScienceDirect
鉴于 LAPBF 过程是热驱动的，模型必须满足的一个要求是正确考虑能量平衡以及与液体熔池的耦合。这是通过使用全激光光线追踪来实现的。如果没有此功能，则需要通过指定恒定的材料吸收率来校准沉积的激光能量。使用当前的模拟模型研究表明，吸收率随熔池深度、激光功率和扫描速度而变化，即沉积的能量密度是这些工艺参数的函数。
在模拟稳定的熔池状态时，恒定的吸收率可能是一个可接受的假设，但不适用于瞬态效应。
在低功率下，吸收率高于裸表面，因为激光射线在粉末颗粒之间进行多次反射，因此激光能量更好地与系统耦合。在接近小孔状态的更高功率下，粉末变得不那么重要，因为吸收率变得非常接近没有粉末的系统。换句话说，激光射线主要与流体表面相互作用。不需要对导致气体流动的金属蒸发进行建模以捕获激光-材料能量耦合。
然而，蒸汽反冲压力的影响被认为是使液体表面变形并影响熔池形态的边界条件。液体熔体流动也与表面张力驱动的 Marangoni 效应一起考虑，这将在模拟表面形态演变时讨论。
简而言之，LLNL的科学家通过模拟已经能够预测诸如熔池尺寸、小孔缺陷的产生和缓解、液体飞溅效应以及作为激光功率函数的激光吸收率等特征，而无需针对每个实验校准模型/模拟展示了灵活性。在这里，科学家利用此代码的多功能性来预测最佳工艺参数，以实现接近全密度的打印。
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