使用雙激光束系統(tǒng)在粉末床3D打印過程中制造出熔池的周期性合并

來源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，傳統(tǒng)的激光粉末床3D打印技術(shù)是采用熔化金屬粉末的辦法來層層堆積的，面臨的挑戰(zhàn)是在大規(guī)模制造的時候存在制造速率低和制造能力產(chǎn)出受到限制的問題。一個解決辦法是采用多個平行的激光束來進行同時掃描以提高加工的柔性。最近的研究表明，在采用兩個或者更多的激光束進行掃描制造的時候可以實現(xiàn)最終產(chǎn)品機械性能的提高。

在使用多激光束的時候依然存在一些障礙需要來解決，如熔池的靠近性以及他們之間的相互作用。尤其是，兩個相臨近的，平行的熔池之間的相互作用問題還沒有得到很好的理解。在本研究中，兩束激光來產(chǎn)生兩個平行的熔池，這兩個熔池在空間上存在一定的偏移。通過采用空間不同的偏移量，實驗結(jié)果顯示在完全合并的和完全分離的兩個區(qū)域，存在一個新的區(qū)域會產(chǎn)生周期性的兩個熔池的合并。高速相機攝影結(jié)果顯示形成這一合并的機理存在兩個不同的情形，我們稱之為頭部-頭部和頭部-尾部合并。通過改變加工參數(shù)，包括激光功率和空間的偏移量，周期性的結(jié)構(gòu)變化同時伴隨著不同的波長，可以在工程中利用這一雙激光束的辦法來實現(xiàn)。

▲圖0 研究成果的Graphical abstract

1. 背景介紹

增材制造技術(shù)又叫3D打印技術(shù)和快速成型技術(shù)，是一種通過層層堆積來制造出三維實體的一種先進制造技術(shù)。在當前，金屬AM技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空航天、汽車和許多其他的工業(yè)領(lǐng)域中，這是因為該技術(shù)具有容易制造復(fù)雜形狀的能力和可以經(jīng)濟的制造出復(fù)雜的部件。以激光為能量的粉末床（LPBF -LBM ）打印技術(shù)是最為常見的一種金屬AM技術(shù)。在傳統(tǒng)的LBPF中，使用高斯能量分布的激光束作為能量源來熔化金屬粉末以制造出最終的產(chǎn)品。然而，該技術(shù)存在制造速度慢和其他技術(shù)缺陷，使得該技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用所占據(jù)的份額還比較小。

▲圖1 雙激光束制造的實驗裝置

目前已經(jīng)有諸多的研究是關(guān)于如何提高粉末床金屬打印過程中所面臨的問題和挑戰(zhàn)。例如，大量的研究是關(guān)于探索使用多激光束或定制的光束來解決問題的可能性。數(shù)值模擬技術(shù)也發(fā)展起來用來探索能量分布的形狀，如高斯分布的能量是如何影響到最終的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的。在焊接技術(shù)領(lǐng)域中，采用衍射光學(xué)元件 (DiffractiveOptical Element ，簡稱 DOE)所產(chǎn)生的新穎的光束輪廓（DOE是一種基于光波衍射理論，利用計算機輔助設(shè)計，采用超大規(guī)模集成電路制造工藝在基片上或傳統(tǒng)光學(xué)器件表面刻蝕出臺階或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)而形成的光學(xué)元件），為熔池的尺寸控制提供了巨大的空間，并由此提高了加工的效率。

Renishaw則在AM設(shè)備中引入了四個獨立控制的激光源。Hong等人則使用這一特定的Renishaw的設(shè)備來比較了采用單激光束和多激光束制造的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能。Zhang等人則實施了相似的實驗。Slodczyk等人的研究則顯示采用DOE所得到的矩形光束所得到的熔化速率比較大，且同時可以保證熔池的穩(wěn)定性。Sundqvist等人也解決空間的溫度場和瞬時改變的激光束條件下的分析模型。這可以幫助來快速的預(yù)測多激光束焊接時的溫度場的輪廓。進一步的，Tsai等人則構(gòu)建了一個三光斑的粉末床打印系統(tǒng)，并引入了DOE到這一裝置中。較短的處理時間和以此同時低的表面粗糙度都可以實現(xiàn)。

為了更好的定義在本實驗中兩個激光束的相對位置，我們引入了兩個參數(shù)，如圖2（a）所示。兩個紅色的圓圈代表的是兩個激光光斑，他們平行且獨立。

▲圖2 本實驗中所定義的掃描間距和垂直偏移的示意圖

非常明顯的是，粉末床打印的更為廣泛的適應(yīng)性在于提高制造的柔性和盡可能的在一次加工的時候采用更多的平行的激光束來進行加工。在早期利用兩個激光束進行加工的時候。兩個激光束所產(chǎn)生的熔池一個是作為預(yù)熱或后熱的光源來減少溫度梯度和由此提高產(chǎn)品的機械性能。我們相信在這兩種情況下一定存在一定的間隙，稱之為完全合并和完全分離的區(qū)域的過渡區(qū)。例如，平行光束的分辨率的極限在哪里就沒有建立起來。同時，盡管有研究實施了單一熔池熔道的宏觀結(jié)構(gòu)和形貌的研究，但采用平行激光束進行加工的關(guān)于顯微組織的關(guān)鍵問題仍然沒有解決。

為了理解以上所面臨的問題，我們使用兩個同樣的，平行運行的激光束作為粉末床3D打印的能量源進行打印。通過將兩個熔池的熔道靠的非常近，我們研究了熔池在合并時的相互作用。這樣做之后，兩個熔池之間分辨率的關(guān)系就建立起來了。與此同時，我們開始理解當兩個熔池熔道從合并開始逐漸移開一定距離之后形成完全分離之間的過渡情況。

除了進行兩個熔池熔道的橫向空間偏移之外，我們還在兩個激光之間引入一個時間的偏移，這樣可以有效的產(chǎn)生一個線性的空間偏移。引入的這一時間偏移可以允許我們進一步的研究兩個靠近的熔池在這一寬廣的參數(shù)范圍內(nèi)的相互作用。我們發(fā)現(xiàn)了一個新的區(qū)域，該區(qū)域中周期性的結(jié)構(gòu)可以在每一個不同的激光能量下的一定的空間偏移中產(chǎn)生。此外，在這一范圍內(nèi)調(diào)節(jié)空間偏移量可以改變這一周期性結(jié)構(gòu)的波長。

2. 實驗系統(tǒng)
圖1所示為本實驗所采用的雙激光實驗系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，兩個波長為1070nm的具有高斯能量分布的激光運行在連續(xù)波的模式下作為激光能量源、激光束，在經(jīng)過聚焦鏡進行窄化后，通過一個3D掃描系統(tǒng)進行放大，2D掃描振鏡和一個 F-θ鏡。每一個掃描系統(tǒng)的掃描范圍為178 × 178 mm exp（2）。通過將兩個掃描振鏡并列排列，一個搭接的掃描區(qū)域為20 × 178 mm exp（2）。兩個激光束和掃描振鏡均通過安裝在電腦中的控制卡來進行控制。一個脈沖生成器用來控制兩個激光的發(fā)射和由此產(chǎn)生兩個激光束中的空間上的偏移。然而，這一脈沖生成器只是影響兩個激光的切換。一旦激光束開啟，就會以連續(xù)波的形式進行不斷的發(fā)射激光。

3. 研究結(jié)果
圖3所示為一個共聚焦的照片，顯示的是兩個不同的掃描間距是如何影響最終的熔池熔道的，此時的情形為垂直的偏移進行保持的恒定值的情形。圖片中的不同顏色代表的是樣品的不同的高度，其變化從紫色的未擾動的基體材料的表面到在基材表面之上大約 100 μm的高度為黃色。在此時，兩個激光運行的功率為80W，掃描速度為150 mm/s。垂直的偏析量保持在120 μm，而三個不同的掃描間距進行了采用，分別為140、180和 270 μm。對所有三個實驗，其頂部的線到底部的線通過垂直偏移來實現(xiàn)。兩個激光從左邊到右邊移動。

▲圖3 保持垂直偏移量不變的同時改變掃描間距所得到的結(jié)果

▲圖4 不同的垂直偏移量得到的結(jié)果，兩個激光的運行功率都為80W，掃描的速度為150 mm/s。掃描間距固定在160 μm，而垂直的偏移量分別為15, 135 和 285 μm。同時，在頂部的熔道先運行，兩個激光均為自左邊向右邊進行運行。

▲圖5 在不同激光功率的條件下得到的加工圖：(a) 60 W, (b) 80 W和 (c) 100 W。為了提高視覺展示效果，相圖采用紅色、灰色和藍色的陰影進行了顯示，以分別代表合并、周期合并和分離的情形。

▲圖6 不同激光功率下得到的周期性結(jié)構(gòu)的波長：(a) 60W, (b) 80W 和 (c) 100W

▲圖7 (a)-(c)示意的顯示頭部-頭部合并時熔池的相互作用，（d）頭部-頭部的合并時得到的橫截面的熔池情形

▲圖8 (a)-(c)示意的顯示頭部-尾部合并時的熔池相互作用的示意圖，（d）頭部-尾部合并時熔池道的橫截面照片

4. 主要結(jié)論
研究人員通過引入兩個參數(shù)：即掃描間距和垂直的偏移量，來作為粉末床打印時的兩個同一的激光。研究人員發(fā)現(xiàn)在兩個完全合并和完全分離的相之間的顯著的區(qū)別。這一過渡的相產(chǎn)生了一個周期性的結(jié)構(gòu)，將會非常難以采用傳統(tǒng)的粉末床工藝的單激光制造出來。對于特定的激光功率，周期性的結(jié)構(gòu)的發(fā)生制造一個特定的被定義為掃描間距和垂直的偏移量的情形下出現(xiàn)。通常來說，為了獲得周期性的結(jié)構(gòu)，需要同時滿足掃描間距和垂直的偏移量且具有較高的激光功率。

為了進一步的研究周期性結(jié)構(gòu)的波長和形成機理，揭示出兩種現(xiàn)象，一種是頭部-頭部合并，一種是頭部-尾部合并。頭部-頭部合并的情形發(fā)生在當垂直偏移小于兩個激光造成的熔池的長度的一般的情形，頭部-尾部合并的情形發(fā)生在當波長線性的隨著頭部-尾部的垂直偏移量增加的時候。同時，通過使用熔池的長度來均質(zhì)化垂直的偏移量和波長，研究人員發(fā)現(xiàn)不同激光功率所產(chǎn)生的波長會崩塌成一個單一的模式，此時的情形同垂直偏移量相沖突。

下一步，我們將會進一步的探究這一雙激光束的加工手段來制造周期性的結(jié)構(gòu)。如，一個較高的掃描速度和較高的激光功率所產(chǎn)生的較長的熔池也許可以用來進一步的證實當前的結(jié)論。這一雙激光束的設(shè)置將會有利于增材制造的時候來提高制造速率和有可能用多激光束來進行表面織構(gòu)。同時，我們將會分析在改變加工工藝窗口的時候所得到的顯微組織的變化。我們相信，這一辦法所產(chǎn)生的不同的能量分布和得到的熔池會同傳統(tǒng)的工藝不同，由此顯微組織也不同，包括晶粒尺寸和方位以及可能的氣孔的分布。到那時，這一辦法將會成為工程中制造特定顯微組織和定制局部性能的一種的新的手段。

文章來源：Using a dual-laser system to create periodic coalescence in laser powder bed fusion,Volume 201, December 2020, Pages 14-22,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.071,Acta Materialia