2021年9月美國勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）報道，其研究人員通過光束整形，實現了貝塞爾光束替代常見的高斯光束進行金屬構件3D打印。他們(men) 發現應用貝塞爾光束能夠減少3D打印孔隙的形成和“匙孔”的發生（“匙孔”是激光粉末床熔融中的一種孔隙誘導現象，由於(yu) 使用高斯光束而加劇），從(cong) 而能夠提高3D打印金屬結構致密度及性能。

一、高斯光束與(yu) 貝塞爾光束

該研究表明，由於(yu) 高斯光束其振幅在橫截麵內(nei) 為(wei) 高斯分布，強度集中在軸線及附近、易發散，光斑形狀為(wei) 帶束腰的不規則圓形，在3D打印過程中會(hui) 導致很大的熱梯度以及複雜的熔池不穩定性，產(chan) 生鍵合（原子以“鍵”的方式聯在一起形成分子）現象，從(cong) 而使成品部件的機械性能下降。

與(yu) 高斯光束相比，貝塞爾光束在傳(chuan) 播方向垂直橫截麵內(nei) 強度分布為(wei) 一個(ge) 中心光斑和若幹個(ge) 同心圓環，具有無衍射性、傳(chuan) 播時不會(hui) 發散的特點，可以解決(jue) 高斯光束無法控製材料周圍熱量沉積方式的問題，能夠將部分能量重新分配到遠離中心的位置，降低熱梯度、優(you) 化熱輪廓和微觀結構晶粒，從(cong) 而生產(chan) 出組織更優(you) 、表麵質量更好的零件。

二、光束“整形”技術應用研究

LLNL研究人員通過使激光穿過兩(liang) 個(ge) 錐形透鏡形成圓環形狀，再通過附加光學元件和掃描裝置在中心光束周圍形成“環”，從(cong) 而實現對光束的整形。即，由高斯光束轉變為(wei) 貝塞爾光束。研究人員將該裝置安裝在商業(ye) 3D打印機中，以不鏽鋼粉末為(wei) 原料打印成形立方體(ti) 及其他形狀零件。

為(wei) 了研究激光束整形後打印的效果，研究人員通過高速成像對熔池動態的觀察顯示，可大幅減少熔池湍流和“飛濺物”。在力學研究和模擬中，與(yu) 傳(chuan) 統高斯光束相比，采用貝塞爾光束製造的零部件更致密、強度更高且拉伸性能更好。

研究人員模擬了高斯光束和貝塞爾光束光斑形狀與(yu) 金屬粉末材料的相互作用。比較發現，貝塞爾光束比高斯光束表現出較小的熱梯度，同時能夠實現更好的能量分布，避免了高斯光束中“熱點”的產(chan) 生，以得到更好的零件微觀結構。

高斯和貝塞爾光束形狀的強度分布示意圖

結語

作為(wei) LLNL正在研究的提高3D打印金屬零件質量的眾(zhong) 多途徑之一，光束整形是一種比其他途徑成本更低的選擇。一通過使用簡單的光學元件來降低設備的製造成本；二可以減少使用高斯光束製造零件所需的後處理技術的費用和時間。研究人員目前正在嚐試其他光束形狀設計方法，並與(yu) GE全球研發中心持續合作研究複雜激光束和偏振成形方法，以更好地控製金屬零件的打印質量。光束整形是改進打印大型、高強度、無缺陷零件工藝質量的可行方法，易於(yu) 被集成到商用金屬3D打印係統中，且不會(hui) 像其他替代技術那樣帶來重大的集成性問題。