多激光束製造時，兩(liang) 個(ge) 相互作用，平行的熔池之間的相互作用問題沒能得到很好的解決(jue) 。來自普林斯頓大學的研究人員采用並行化的多激光束進行金屬SLM製造。在這裏，兩(liang) 束激光平行的掃描熔化得到的熔池，兩(liang) 個(ge) 熔池具有一個(ge) 小的空間偏移。采用不同的空間偏移量，實驗結果顯示除了完全的合並外和完全的分離外，這裏還存在一個(ge) 新的區域，在兩(liang) 個(ge) 熔池中產(chan) 生了周期性的合並。

成果簡介：

傳(chuan) 統的金屬粉末床激光增材製造（SLM）在當前麵臨(lin) 的技術挑戰存在由於(yu) 低的製造速率和製造產(chan) 能而存在打印尺度受到限製的問題。來自普林斯頓大學的研究人員及其合作者解決(jue) 了這一困境。他們(men) 采取的一個(ge) 辦法就是采用 並行化多個(ge) 激光束來增加加工的柔性。近來的研究表明，當使用2個(ge) 或者更多的激光束進行SLM打印的時候，其最終產(chan) 品的機械性能得到提高。然而，依然存在一些障礙需要解決(jue) 包括熔池的相鄰問題以及他們(men) 的相互作用機製，尤其是，兩(liang) 個(ge) 相互作用，平行的熔池之間的相互作用問題沒能得到很好的解決(jue) 。在這裏，兩(liang) 束激光平行的掃描熔化得到的熔池，兩(liang) 個(ge) 熔池具有一個(ge) 小的空間偏移。采用不同的空間偏移量，實驗結果顯示除了完全的合並外和完全的分離外，這裏還存在一個(ge) 新的區域，在兩(liang) 個(ge) 熔池中產(chan) 生了周期性的合並。高速影像結果顯示了這一合並形成的不同機製。這是我們(men) 所注意到的頭部到頭部和頭部到尾部的合並。通過改變包括激光功率和空間偏移等參數，具有不同波長的周期性結構可以采用雙激光束的辦法進行工程應用。

成果的 Graphical abstract

背景簡介：

增材製造技術（AM），又叫3D打印和快速成型技術，是一種通過層層堆積的方式實現3D物體(ti) 的堆積。在當前，由於(yu) 金屬打印技術的製造容易和製造的經濟性，金屬的AM技術廣泛的應用於(yu) 航空航天，汽車和其他許多工業(ye) 中。激光為(wei) 基礎的粉末床打印技術（SLM）技術是金屬AM技術中最為(wei) 普遍的一種技術。傳(chuan) 統的SLM技術，采用的高斯激光束作為(wei) 能量源來熔化粉末以製造最終的產(chan) 品。然而，較慢的製造速率和其他技術上的挑戰阻礙了SLM技術來獲得更大的市場份額。

圖1. 本成果中的雙激光束實驗裝置的示意圖

目前已經有研究是關(guan) 於(yu) 如何解決(jue) 當前SLM技術所麵臨(lin) 的挑戰。例如，大量的研究曾經用來探究使用多激光束或定製的激光束進行加工的潛力。數值模擬技術用來解釋何種類型的能量分布形狀，如橢圓形的高斯能量會(hui) 影響其顯微組織和機械性能。在激光焊接的時候，新穎的激光束輪廓通過衍射光學元件（diffractive optical element (DOE)）可以提供對焊接熔池的很好的控製和提高表麵粗糙度。同時，為(wei) 了解決(jue) 製造效率低的問題，近來的研究是聚焦在使用多光束來提高加工效率。Renishaw公司在AM設備中曾經引入四個(ge) 獨立控製的激光源來進行同時打印。Hong等人使用這個(ge) 獨特的Renishaw公司的設備進行加工並比較了產(chan) 品的性能與(yu) 單激光束之間的差別。Zhang等人實施了類似的工作，采用了一個(ge) 多光束設備進行打印。Slodczyk等人則展示了一個(ge) 通過衍射光學元件形成的矩形排列的激光束來實現在保持熔池的穩定的前提下實現提高熔化速率。Sundqvist等人也通過一個(ge) 分析溫度場在空間和瞬時的光束分布，來幫助快速的預測多個(ge) 光束焊接時的溫度輪廓。進一步的，Tsai等人構建了一個(ge) 三光束的SLM係統，來整合衍射光學元件的作用。結果獲得短的操作時間和表麵粗度度的提高。

非常明顯，為(wei) 了實現SLM技術更加廣泛的應用，提高SLM設備的製造柔性，采用平行的多光束是一種解決(jue) 方案。在早先的研究中，曾經有報道使用兩(liang) 個(ge) 激光束來進行SLM製造，這兩(liang) 個(ge) 光束製造的熔池，在高的製造速率下就會(hui) 出現完全分離，或者出現兩(liang) 個(ge) 熔池完全合並。在後者的情形下，一個(ge) 光束作為(wei) 預熱或者作為(wei) 加熱的光源來減少溫度的梯度和提高製造產(chan) 品的機械性能。我們(men) 相信這兩(liang) 種情形下存在一個(ge) 鴻溝，即在兩(liang) 個(ge) 熔池完全合並和完全分離的條件下存在一個(ge) 過渡的情形。例如，目前不清楚並行光束的分辨率的限製，同時，盡管有研究是單光束的宏觀組織和形貌的研究，但並行光束進行SLM製造時的宏觀組織和的關(guan) 鍵問題還沒有人研究。

圖2. 定義(yi) 掃描間距和垂直偏移的示意圖

為(wei) 了理解以上提到的問題，普林斯頓大學的研究人員及其合作者，使用兩(liang) 個(ge) 同一的，並行掃描的激光作為(wei) SLM製造的能量源。通過放置兩(liang) 個(ge) 熔池的熔道非常接近的辦法，我們(men) 研究了熔池在合並時的相互作用。通過這樣做，兩(liang) 個(ge) 熔池熔道的分辨率通過建立起來。與(yu) 此同時，我們(men) 可以理解熔池從(cong) 完全合並到完全分離之間的過渡。

圖3. 改變掃描間距的同時保證垂直方向的偏移量固定

除了在兩(liang) 個(ge) 熔池之間進行橫向空間偏移之外，我們(men) 還在兩(liang) 個(ge) 激光束之間施加了一個(ge) 瞬時的偏移，這樣就可以有效的產(chan) 生一個(ge) 在線的空間偏移量。引入的這個(ge) 瞬時偏移可以使得我們(men) 能夠進一步的研究這兩(liang) 個(ge) 靠近的熔池在寬廣的參數範圍內(nei) 是如何相互作用的。我們(men) 找到了一個(ge) 區間，這一區間中的周期性的結構，在這一個(ge) 不同的測試的激光功率中會(hui) 在一定的空間進行偏移。此外，在一定的區域內(nei) 進行空間偏移會(hui) 改變周期性結構的波長。

實驗方法：

圖1 所示為(wei) 本研究中所采用的雙激光實驗裝置。在這一裝置中，兩(liang) 個(ge) 激光波長為(wei) 1070nm的激光，具有高斯分布的激光束能量運行在連續的模式下作為(wei) 激光源。激光束，經過聚焦鏡的窄化後，通過一個(ge) 3D掃描係統，該掃描係統由光束擴束鏡，2D 掃描振鏡和 F-θ鏡所組成。每一個(ge) 掃描係統的掃描範圍為(wei) 178mm × 178mm。通過這兩(liang) 個(ge) 掃描鏡的並列排列，采用搭接率的區域為(wei) 20mm × 178mm。激光束和掃描振鏡的控製通過PC電腦進行控製。脈衝(chong) 的發生器用來控製點火的延遲時間，從(cong) 而實現在兩(liang) 個(ge) 激光之間的延遲和由此在兩(liang) 個(ge) 激光束之間製造出一個(ge) 小的空間偏移。然而，這一脈衝(chong) 生成器隻能在激光束切換的時候產(chan) 生作用。一旦激光被激發，他們(men) 就會(hui) 連續的發射出連續模式的激光來。

圖4. 在保持掃描間距固定的時候改變垂直方向的偏移量所得到的結果

圖5. 工藝圖在激光功率分別為(wei) ：(a) 60 W, (b) 80 W和 (c) 100 W的結果

▲圖6. (a)-(c) 示意的顯示在頭部-頭部的合並的時候的熔池的相互作用；（d）示意的顯示頭部-尾部的合並的時候熔池的熔道的截麵

主要結論

經過研究，我們(men) 得出的主要結論有，引入兩(liang) 個(ge) 參數，分別是掃描間距和垂直的平行偏析量，來排列兩(liang) 個(ge) 同一的激光束進行SLM實驗。結果發現出現了完全合並和完全分離的兩(liang) 個(ge) 階段。這一過渡的階段導致了周期性的結構存在，從(cong) 而造成采用單激光束進行傳(chuan) 統的SLM製造的時候是很難進行製造的。對於(yu) 給定的激光功率，周期性的結構隻出現在特定的掃描間距和垂直的偏移量當中。通常來說，為(wei) 了獲得周期性的結構，同時需要掃描間距和垂直的偏移量隨著功率的增加而增加。

研究周期性波長和形成機理的時候，揭示出這裏存在兩(liang) 個(ge) 情形，頭部到頭部和頭部到尾部的合並。頭部到頭部的合並情形發生在當垂直的偏移量小於(yu) 兩(liang) 個(ge) 激光所產(chan) 生的熔池的半長度的時候。頭部到尾部的合並發生在當垂直的偏移量比較大的情形。通常來說，頭部到頭部情形的波長隨著垂直偏移量的增加而降低，而波長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，通過使用熔池的長度來標準化垂直的偏移量和波長，研究人員發現不同的激光功率陷入到一個(ge) 單個(ge) 的模式的時候所產(chan) 生的波長，前提是到路線同垂直偏移量相反的時候。

在接下來的研究中，研究人員將會(hui) 進一步的探究采用兩(liang) 個(ge) 激光束所得到的周期性結構的加工工藝。例如，采用較高的掃描速度和較高的激光功率得到的長的熔池也許有利於(yu) 用來使得這一結論重新生效。這一雙激光束的設置可以有利於(yu) 采用雙激光束進行常規的增材製造來實現高速的製造和有可能獲得表麵粗糙度比較好的結果。同時，我們(men) 將會(hui) 分析采用這一新技術如何獲得較好的組織。我們(men) 相信，當這一辦法產(chan) 生不同的能量分布的時候，其隨後的熔池會(hui) 同傳(chuan) 統的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(hui) 同傳(chuan) 統的SLM有所不同。在這樣的情形下，這一辦法將會(hui) 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(wei) 激光功率為(wei) 80W，掃描速度為(wei) 150mm/s和掃描的間距為(wei) 150μm

▲圖98. 兩(liang) 個(ge) 激光束在沒有添加粉末的時候熔化材料表麵所得到的熔道的金相照片

延伸閱讀：

文章來源：Acta Materialia，Volume 201, December 2020, Pages 14-22，Using a dual-laser system to create periodic coalescence in laser powder bed fusion，