多激光束制造時(shí)，兩個(gè)相互作用，平行的熔池之間的相互作用問(wèn)題沒(méi)能得到很好的解決。來(lái)自普林斯頓大學(xué)的研究人員采用并行化的多激光束進(jìn)行金屬SLM制造。在這里，兩束激光平行的掃描熔化得到的熔池，兩個(gè)熔池具有一個(gè)小的空間偏移。采用不同的空間偏移量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示除了完全的合并外和完全的分離外，這里還存在一個(gè)新的區(qū)域，在兩個(gè)熔池中產(chǎn)生了周期性的合并。
成果簡(jiǎn)介：
傳統(tǒng)的金屬粉末床激光增材制造（SLM）在當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)存在由于低的制造速率和制造產(chǎn)能而存在打印尺度受到限制的問(wèn)題。來(lái)自普林斯頓大學(xué)的研究人員及其合作者解決了這一困境。他們采取的一個(gè)辦法就是采用 并行化多個(gè)激光束來(lái)增加加工的柔性。近來(lái)的研究表明，當(dāng)使用2個(gè)或者更多的激光束進(jìn)行SLM打印的時(shí)候，其最終產(chǎn)品的機(jī)械性能得到提高。然而，依然存在一些障礙需要解決包括熔池的相鄰問(wèn)題以及他們的相互作用機(jī)制，尤其是，兩個(gè)相互作用，平行的熔池之間的相互作用問(wèn)題沒(méi)能得到很好的解決。在這里，兩束激光平行的掃描熔化得到的熔池，兩個(gè)熔池具有一個(gè)小的空間偏移。采用不同的空間偏移量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示除了完全的合并外和完全的分離外，這里還存在一個(gè)新的區(qū)域，在兩個(gè)熔池中產(chǎn)生了周期性的合并。高速影像結(jié)果顯示了這一合并形成的不同機(jī)制。這是我們所注意到的頭部到頭部和頭部到尾部的合并。通過(guò)改變包括激光功率和空間偏移等參數(shù)，具有不同波長(zhǎng)的周期性結(jié)構(gòu)可以采用雙激光束的辦法進(jìn)行工程應(yīng)用。
成果的 Graphical abstract
背景簡(jiǎn)介：
增材制造技術(shù)（AM），又叫3D打印和快速成型技術(shù)，是一種通過(guò)層層堆積的方式實(shí)現(xiàn)3D物體的堆積。在當(dāng)前，由于金屬打印技術(shù)的制造容易和制造的經(jīng)濟(jì)性，金屬的AM技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空航天，汽車和其他許多工業(yè)中。激光為基礎(chǔ)的粉末床打印技術(shù)（SLM）技術(shù)是金屬AM技術(shù)中最為普遍的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的SLM技術(shù)，采用的高斯激光束作為能量源來(lái)熔化粉末以制造最終的產(chǎn)品。然而，較慢的制造速率和其他技術(shù)上的挑戰(zhàn)阻礙了SLM技術(shù)來(lái)獲得更大的市場(chǎng)份額。
圖1. 本成果中的雙激光束實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖
目前已經(jīng)有研究是關(guān)于如何解決當(dāng)前SLM技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。例如，大量的研究曾經(jīng)用來(lái)探究使用多激光束或定制的激光束進(jìn)行加工的潛力。數(shù)值模擬技術(shù)用來(lái)解釋何種類型的能量分布形狀，如橢圓形的高斯能量會(huì)影響其顯微組織和機(jī)械性能。在激光焊接的時(shí)候，新穎的激光束輪廓通過(guò)衍射光學(xué)元件（diffractive optical element (DOE)）可以提供對(duì)焊接熔池的很好的控制和提高表面粗糙度。同時(shí)，為了解決制造效率低的問(wèn)題，近來(lái)的研究是聚焦在使用多光束來(lái)提高加工效率。Renishaw公司在AM設(shè)備中曾經(jīng)引入四個(gè)獨(dú)立控制的激光源來(lái)進(jìn)行同時(shí)打印。Hong等人使用這個(gè)獨(dú)特的Renishaw公司的設(shè)備進(jìn)行加工并比較了產(chǎn)品的性能與單激光束之間的差別。Zhang等人實(shí)施了類似的工作，采用了一個(gè)多光束設(shè)備進(jìn)行打印。Slodczyk等人則展示了一個(gè)通過(guò)衍射光學(xué)元件形成的矩形排列的激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)在保持熔池的穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)提高熔化速率。Sundqvist等人也通過(guò)一個(gè)分析溫度場(chǎng)在空間和瞬時(shí)的光束分布，來(lái)幫助快速的預(yù)測(cè)多個(gè)光束焊接時(shí)的溫度輪廓。進(jìn)一步的，Tsai等人構(gòu)建了一個(gè)三光束的SLM系統(tǒng)，來(lái)整合衍射光學(xué)元件的作用。結(jié)果獲得短的操作時(shí)間和表面粗度度的提高。
非常明顯，為了實(shí)現(xiàn)SLM技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用，提高SLM設(shè)備的制造柔性，采用平行的多光束是一種解決方案。在早先的研究中，曾經(jīng)有報(bào)道使用兩個(gè)激光束來(lái)進(jìn)行SLM制造，這兩個(gè)光束制造的熔池，在高的制造速率下就會(huì)出現(xiàn)完全分離，或者出現(xiàn)兩個(gè)熔池完全合并。在后者的情形下，一個(gè)光束作為預(yù)熱或者作為加熱的光源來(lái)減少溫度的梯度和提高制造產(chǎn)品的機(jī)械性能。我們相信這兩種情形下存在一個(gè)鴻溝，即在兩個(gè)熔池完全合并和完全分離的條件下存在一個(gè)過(guò)渡的情形。例如，目前不清楚并行光束的分辨率的限制，同時(shí)，盡管有研究是單光束的宏觀組織和形貌的研究，但并行光束進(jìn)行SLM制造時(shí)的宏觀組織和的關(guān)鍵問(wèn)題還沒(méi)有人研究。
圖2. 定義掃描間距和垂直偏移的示意圖
為了理解以上提到的問(wèn)題，普林斯頓大學(xué)的研究人員及其合作者，使用兩個(gè)同一的，并行掃描的激光作為SLM制造的能量源。通過(guò)放置兩個(gè)熔池的熔道非常接近的辦法，我們研究了熔池在合并時(shí)的相互作用。通過(guò)這樣做，兩個(gè)熔池熔道的分辨率通過(guò)建立起來(lái)。與此同時(shí)，我們可以理解熔池從完全合并到完全分離之間的過(guò)渡。
圖3. 改變掃描間距的同時(shí)保證垂直方向的偏移量固定
除了在兩個(gè)熔池之間進(jìn)行橫向空間偏移之外，我們還在兩個(gè)激光束之間施加了一個(gè)瞬時(shí)的偏移，這樣就可以有效的產(chǎn)生一個(gè)在線的空間偏移量。引入的這個(gè)瞬時(shí)偏移可以使得我們能夠進(jìn)一步的研究這兩個(gè)靠近的熔池在寬廣的參數(shù)范圍內(nèi)是如何相互作用的。我們找到了一個(gè)區(qū)間，這一區(qū)間中的周期性的結(jié)構(gòu)，在這一個(gè)不同的測(cè)試的激光功率中會(huì)在一定的空間進(jìn)行偏移。此外，在一定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行空間偏移會(huì)改變周期性結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)。
實(shí)驗(yàn)方法：
圖1 所示為本研究中所采用的雙激光實(shí)驗(yàn)裝置。在這一裝置中，兩個(gè)激光波長(zhǎng)為1070nm的激光，具有高斯分布的激光束能量運(yùn)行在連續(xù)的模式下作為激光源。激光束，經(jīng)過(guò)聚焦鏡的窄化后，通過(guò)一個(gè)3D掃描系統(tǒng)，該掃描系統(tǒng)由光束擴(kuò)束鏡，2D 掃描振鏡和 F-θ鏡所組成。每一個(gè)掃描系統(tǒng)的掃描范圍為 178mm × 178mm。通過(guò)這兩個(gè)掃描鏡的并列排列，采用搭接率的區(qū)域?yàn)?0mm × 178mm。激光束和掃描振鏡的控制通過(guò)PC電腦進(jìn)行控制。脈沖的發(fā)生器用來(lái)控制點(diǎn)火的延遲時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)激光之間的延遲和由此在兩個(gè)激光束之間制造出一個(gè)小的空間偏移。然而，這一脈沖生成器只能在激光束切換的時(shí)候產(chǎn)生作用。一旦激光被激發(fā)，他們就會(huì)連續(xù)的發(fā)射出連續(xù)模式的激光來(lái)。
圖4. 在保持掃描間距固定的時(shí)候改變垂直方向的偏移量所得到的結(jié)果
圖5. 工藝圖在激光功率分別為：(a) 60 W, (b) 80 W和 (c) 100 W的結(jié)果
▲圖6. (a)-(c) 示意的顯示在頭部-頭部的合并的時(shí)候的熔池的相互作用；（d）示意的顯示頭部-尾部的合并的時(shí)候熔池的熔道的截面
主要結(jié)論
經(jīng)過(guò)研究，我們得出的主要結(jié)論有，引入兩個(gè)參數(shù)，分別是掃描間距和垂直的平行偏析量，來(lái)排列兩個(gè)同一的激光束進(jìn)行SLM實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了完全合并和完全分離的兩個(gè)階段。這一過(guò)渡的階段導(dǎo)致了周期性的結(jié)構(gòu)存在，從而造成采用單激光束進(jìn)行傳統(tǒng)的SLM制造的時(shí)候是很難進(jìn)行制造的。對(duì)于給定的激光功率，周期性的結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)在特定的掃描間距和垂直的偏移量當(dāng)中。通常來(lái)說(shuō)，為了獲得周期性的結(jié)構(gòu)，同時(shí)需要掃描間距和垂直的偏移量隨著功率的增加而增加。
研究周期性波長(zhǎng)和形成機(jī)理的時(shí)候，揭示出這里存在兩個(gè)情形，頭部到頭部和頭部到尾部的合并。頭部到頭部的合并情形發(fā)生在當(dāng)垂直的偏移量小于兩個(gè)激光所產(chǎn)生的熔池的半長(zhǎng)度的時(shí)候。頭部到尾部的合并發(fā)生在當(dāng)垂直的偏移量比較大的情形。通常來(lái)說(shuō)，頭部到頭部情形的波長(zhǎng)隨著垂直偏移量的增加而降低，而波長(zhǎng)隨著在頭部到尾部情形下的垂直偏移量的增加而線性增加。同時(shí)，通過(guò)使用熔池的長(zhǎng)度來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化垂直的偏移量和波長(zhǎng)，研究人員發(fā)現(xiàn)不同的激光功率陷入到一個(gè)單個(gè)的模式的時(shí)候所產(chǎn)生的波長(zhǎng)，前提是到路線同垂直偏移量相反的時(shí)候。
在接下來(lái)的研究中，研究人員將會(huì)進(jìn)一步的探究采用兩個(gè)激光束所得到的周期性結(jié)構(gòu)的加工工藝。例如，采用較高的掃描速度和較高的激光功率得到的長(zhǎng)的熔池也許有利于用來(lái)使得這一結(jié)論重新生效。這一雙激光束的設(shè)置可以有利于采用雙激光束進(jìn)行常規(guī)的增材制造來(lái)實(shí)現(xiàn)高速的制造和有可能獲得表面粗糙度比較好的結(jié)果。同時(shí)，我們將會(huì)分析采用這一新技術(shù)如何獲得較好的組織。我們相信，當(dāng)這一辦法產(chǎn)生不同的能量分布的時(shí)候，其隨后的熔池會(huì)同傳統(tǒng)的SLM有所不同。其得到的顯微組織，包括晶粒尺寸和晶粒的方位以及可能的氣孔分布等，將會(huì)同傳統(tǒng)的SLM有所不同。在這樣的情形下，這一辦法將會(huì)獲得特定的顯微組織和影響最終的局部的材料的性能。
▲圖7. 熔池熔道在不同的垂直偏移量的條件下所得到的顯微組織：(a) 30μm，(b) 105μm, (c) 255μm。以上三種條件均為激光功率為80W，掃描速度為150mm/s和掃描的間距為150μm
▲圖98. 兩個(gè)激光束在沒(méi)有添加粉末的時(shí)候熔化材料表面所得到的熔道的金相照片
延伸閱讀：
文章來(lái)源：Acta Materialia，Volume 201, December 2020, Pages 14-22，Using a dual-laser system to create periodic coalescence in laser powder bed fusion，
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