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2021年7月，LLNL美國國家實驗室孵化的企業(yè)Seurat Technologies （修拉技術）完成了4100 萬美元的B輪融資，由Capricorn基金領投。加上此前的1350萬的A輪融資，修拉技術共融資5450萬美金（約合人民幣3.4億）。

Seurat通過進一步降低制造成本來打入更大的市場。使用Seurat第一代機器，可實現約300 美元/公斤的制造成本，這可能使市場規(guī)模增加一倍。預計Seurat 2024年推出的第二代系統以及2027年和2030年的后續(xù)系統將真正改變游戲規(guī)則。Seurat的GenX 將制造成本降低至 25美元/公斤以下，從而開啟更大的金屬制造市場。

簡單的思路開辟新探索空間

金屬增材制造在增強眾多行業(yè)的產品附加值制造能力方面具有巨大潛力，增材制造可以生產用減材技術無法在零件中制造的幾何形狀，并且可以減少制造過程中產生的廢料量，從而降低成本。盡管如此，由于目前工藝速度的限制，金屬增材制造在大批量制造中尚未獲得顯著的市場份額，這極大地影響了可實現的每件生產價格。

制造零件的速度受限于材料熔化和固化到下層零件中的速度。在典型的激光粉末床熔化（LPBF）工藝中，零件以激光掃描的串行方式構建，通過激光掃描以創(chuàng)建一條固化材料的線，并重復多條線以創(chuàng)建一個層。金屬的生產速度受到材料熔化和熔合到底層基材的速度的限制，雖然多個熱激光源和更多的激光功率可以提高構建速度，但會增加額外的控制挑戰(zhàn)。此外，保持多個激光器對齊并同等利用并非易事。

另一種金屬增材制造工藝是電子束熔化（EBM），以足夠的速度對電子束進行光柵化，以模擬大面積熱源。然而EBM需要在真空中操作，并且需要預燒結相對較粗的粉末。與激光加工相比，這些因素導致更粗糙的表面和更大的最小特征尺寸。

修拉所使用的大面積脈沖激光粉末床熔化（LABPF）技術的原理主要基于一個簡練的思路：如果金屬粉末的熔化與凝固從串行過程演變?yōu)椴⑿羞^程，則粉末床增材制造的構建速度可能會顯著加快。

在這項工作中，通過高速成像和高保真物理模擬研究了316L不銹鋼中LAPBF的物理特性。不過快速與精確通常是相互矛盾的，LABPF可以快速熔化金屬粉末，但是快速熔化帶來的熔化的顆?？焖倬劢Y成更大的液滴。

Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion論文研究中使用的激光和金屬粉末參數，大于40μm的層厚度會導致添加材料在基材表面上的分布不均勻，從而增加多層打印中的孔隙率。通過模擬表明，可以通過覆蓋在下方基材上的覆蓋粉末顆粒并阻止過多的激光能量沉積到基材中來產生凹坑特征（凹坑特征可能導致孔隙）。

模擬表明，對于這些激光和粉末參數，使用較薄的粉末層將減少陰影并允許激光脈沖有效地加熱基板，從而減少缺陷的形成。實施此更改最終在模擬中證明了獲得> 99.5%密度的零件，在316L不銹鋼打印中則是通過實驗證明了獲得> 99.8%密度的零件。

此外，在LABPF過程中觀察到的飛濺非常少，這是激光粉末床熔化擴展到更大批量零件生產的已知障礙。這表明LABPF能夠生產高質量的材料，適用于關鍵應用，并可擴展到大批量生產。

脈沖激光粉床缺陷模擬實驗

LABPF于2013年在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首次發(fā)明。該技術的基本原理基于傳統的 LPBF，將一層粉末散布在構建板上，然后使用高功率激光熔化。

此過程的一個同樣重要的區(qū)別是，使用光學尋址光閥（OALV）以高分辨率對激光器進行圖案化。OALV能夠僅逐層熔化所需區(qū)域以制造三維部件，而激光提供熔化能量以熔化金屬粉末。這種方法不同于其他商業(yè)上可用的選項，并且具有重要的商業(yè)利益，因為它提供了在不損失打印部件分辨率的情況下擴展到高構建率的潛力。

例如，當前的小型演示區(qū)打印系統能夠在40 Hz下熔化5mm×5mm方形瓷磚，層厚為25 μm，總構建速率為90 cm³/h。如果與類似于EOS M290的行業(yè)標準機器進行比較，后者在相當的層厚度（20 μm）下以7.2 cm³/h的速率生產316L不銹鋼。

盡管取得了這些進步，但LABPF仍面臨許多挑戰(zhàn)。最重要的是，優(yōu)化工藝參數以實現全密度的高質量零件，這在任何增材制造工藝中都是至關重要的。由于LAPBF打印方法相對較新，因此對同時熔化大面積粉末的物理原理知之甚少。LLNL通過使用高保真模擬和高速成像來詳細了解該過程、如何減輕缺陷。

首先，需要理解的是 LAPBF與LPBF 的相似之處和區(qū)別之處。在LPBF激光粉末床熔化過程中，激光與粉末、基材和蒸汽的相互作用很重要。激光吸收率會隨著粉末特性以及鍵孔的出現而改變。鑰匙孔以及夾帶的顆粒和噴出的液體可能會產生缺陷。LPBF過程可能具有一些與LAPBF相似的物理效應，但并不導致熔融顆粒彼此之間的大規(guī)模集體相互作用，這是兩個過程的區(qū)別。

那么，研究人員必須要搞清楚在此過程中哪些影響是重要的，與傳統 LPBF 相比這些影響是如何發(fā)生變化的，哪些影響是有害的，以及如何避免這些影響。研究人員在先前的工作的基礎上，并使用了類似的實驗裝置，通過OALV 創(chuàng)建了一種稱為“瓷磚”的極化切換圖案，然后將其投射到粉末床上。

■LAPBF系統圖

在實驗中，研究人員使用單個Nd:YAG（1064 nm）脈沖對金屬粉末進行最終熔化以創(chuàng)建每個打印的“瓷磚”。雖然實驗裝置能夠改變照明區(qū)域的形狀以通過OALV實現任意幾何形狀，但在這項工作中，為了簡單起見，使用了均勻強度（2 mm×2 mm）的方形區(qū)域（方形瓷磚）。使用了兩種不同尺寸分布的不銹鋼316L粉末，15–32 μm（27 μm）和45–63 μm（54 μm）切割，這里分別稱為27 μm和54 μm粉末，指的是尺寸分布。

鑒于LAPBF過程是熱驅動的，模型必須滿足的一個要求是正確考慮能量平衡以及與液體熔池的耦合。這是通過使用全激光光線追蹤來實現的。如果沒有此功能，則需要通過指定恒定的材料吸收率來校準沉積的激光能量。使用當前的模擬模型研究表明，吸收率隨熔池深度、激光功率和掃描速度而變化，即沉積的能量密度是這些工藝參數的函數。

在模擬穩(wěn)定的熔池狀態(tài)時，恒定的吸收率可能是一個可接受的假設，但不適用于瞬態(tài)效應。在低功率下吸收率高于裸表面，因為激光射線在粉末顆粒之間進行多次反射，因此激光能量更好地與系統耦合。在接近小孔狀態(tài)的更高功率下，粉末變得不那么重要，因為吸收率變得非常接近沒有粉末的系統。換句話說，激光射線主要與流體表面相互作用。不需要對導致氣體流動的金屬蒸發(fā)進行建模以捕獲激光-材料能量耦合。

然而，蒸汽反沖壓力的影響被認為是使液體表面變形并影響熔池形態(tài)的邊界條件。液體熔體流動也與表面張力驅動的Marangoni效應一起考慮，這將在模擬表面形態(tài)演變時討論。

簡而言之，LLNL的科學家通過模擬已經能夠預測諸如熔池尺寸、小孔缺陷的產生和緩解、液體飛濺效應以及作為激光功率函數的激光吸收率等特征，而無需針對每個實驗校準模型/模擬展示了靈活性。在這里，科學家利用此代碼的多功能性來預測最佳工藝參數，以實現接近全密度的打印。