雖然金屬LPBF粉末床激光熔融3D打印技術在各種應用中具有很大的潛力，但這個過程缺乏對產品一致性的控制，成為進入到生產領域的一大限制因素。為了推動金屬LPBF粉末床激光熔融3D打印技術從快速原型設計思維到快速制造，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驗室（LLNL）正在努力開發一種新的基于算法科學的增材制造設計策略，該策略可以通過使用定制和模擬驅動的光源來控制傳導熱?？蒲腥藛T將研究結果發表成論文 “Spatial modulation of laser sources for microstructural control of additively manufactured metals”（“通過空間調制激光源用于控制金屬微觀結構”），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構控制。

光束橢圓度與微觀結構

       從生物打印血管，使用3D打印控制反應材料到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驗室（LLNL）的科學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的生產流程開發的，并不是專門為增材制造加工工藝開發的。不適合的材料原料，以及缺乏對微觀結構形成產生影響的局部熱傳導活動的控制，來自過程監測的數據有限而導致對過程的預測能力不足。

      勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究結果表明，光束調制提供了位點特定的微觀結構控制，這些結果可以通過熔池動力學和熱分布的有限元建模來解釋。該團隊使用的是簡單的光束整形光學元件，理論上在商業化層面上可以實現。

     因此，通過利用這種光學系統設計熱梯度，可以通過在構建過程中調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的設備上進行了對316L不銹鋼粉末的加工。在單軌激光熔化實驗期間使用316L不銹鋼基板。在他們的LPBF測試平臺中，該團隊通過50毫米FL透鏡來控制600 W光纖激光器的光束。

     利用LLNL的ALE3D數值模擬軟件工具，研究人員模擬了實際的粒度分布和隨機粒子堆積，然后通過使用激光射線追蹤算法模擬激光與實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構化網格上的元素和有限體積公式。為了節省計算時間，掃描速度設定為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軌道宏觀和微觀結構的影響。研究人員確定“較低的激光功率下凝固對等軸晶的形成是有利的”，與光束橢圓度無關。當功率和掃描速度上升時，柱狀晶粒的濃度通常增加，這時候可以通過改變光束橢圓率來實現特定位置的微觀結構控制。此外，使用交替光束形狀的完整構建甚至可以實現更復雜的微結構。

     研究人員還研究了高斯和橢圓激光強度分布對單軌微觀結構的影響。當激光加熱發生熱傳導模式時，橢圓形強度的光斑比圓形輪廓的光斑在大得多的參數空間上產生等軸或混合等軸柱狀晶粒。這表明晶粒形態可以通過改變光束強度和空間輪廓來定制，同時保持恒定的激光功率和掃描速度。

Review

    勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在2017年就創造了三倍的強度的超強耐腐蝕不銹鋼316L，LLNL聯合喬治亞理工大學和美國俄勒岡州立大學的阿姆斯國家實驗室的科學家們通過改變加工參數和過程控制來提高零件的力學性能。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果。

    這是一種常見的“海洋級” 不銹鋼，具有低碳組成。在石油管道、發動機零件和廚房設備等場合被廣泛使用，通常具有低腐蝕性和高延展性。測試表明堅固耐磨的3D打印316L不銹鋼可以提供比其他形式的鋼更高水平的強度和延展性，使其有助于化學設備、醫療植入物、發動機零件以及需要其設備優異物理性能的各種其他應用。

      研究人員不僅僅將這種過程控制工藝應用到不銹鋼的加工中，還擴展到其他金屬材料的加工中。3D科學谷了解到他們可以使得3D打印機在不同的尺度上構建小型的墻壁單元結構，這些結構可以防止裂縫和其他常見問題的發生。這種高強度不銹鋼的獲得可以使得3D打印技術不僅可用于航空航天行業制造飛機燃料箱，還可以用于核電廠用來制造高強度壓力管。

      關于單晶合金，除了激光粉末床熔融3D打印技術，在電子束粉末床熔融3D打印方面，根據3D科學谷的市場研究，通過電子束3D打印來制備CMSX_4材料也獲得一系列的進展。高冷卻速度為合金設計開辟了新的可能性。通過選擇性電子束熔化金屬3D打印技術可以實現CMSX-4?的無裂縫加工。通過采用合適的加工策略，可以直接從粉末床中獲得單晶結構。而實驗證明，通過金屬3D打印實現凝固微觀結構和相關的偏析結構可以帶來非常精細的結果，與鑄造微觀結構相比要小100倍。因此，均質化熱處理時間也顯著的從幾小時減少到幾分鐘。

    此外，除了通過對加工策略的調整以及對冷卻速率的控制，美國HRL 實驗室在2017年還提出了引入納米顆粒來提升合金材料性能的研究。影響合金材料在增材制造工藝中使用的原因是，打印過程中材料的熔融和凝固產生了具有大柱晶粒和周期性裂紋的微觀結構。HRL 實驗室表示，可以通過在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來解決這一問題。

      而在顆粒增強合金性能方面的研究，思萊姆智能科技還開發了納米CrC顆?；祀s增強鎳基高溫合金的復合材料，由于凝固速度很快，晶粒來不及長大，仍然保持有納米顆粒的特性，所制造的零件組織細小致密，且力學性能優異。采用的是選擇性激光融化技術3D打印技術，克服了傳統制備方法的局限, 改善了顆粒團聚和界面結合問題，并且可以加工成復雜零件的形狀，而無需工裝夾具或模具的支持，同時在這個過程中, 材料利用率高。

      總之，通過粉末床熔融技術來開發高性能材料的方法多種多樣，目前使用的方法主要包括對加工工藝的控制、激光光束的控制、冷卻速度的控制以及使用顆粒增強的方法。

來源：3d打印網

編輯：董強