普林斯顿大学：SLM增材制造中使用双激光系统来制造周期性的熔池合并

来源：江苏激光联盟

多激光束制造时，两个相互作用，平行的熔池之间的相互作用问题没能得到很好的解决。来自普林斯顿大学的研究人员采用并行化的多激光束进行金属SLM制造。在这里，两束激光平行的扫描熔化得到的熔池，两个熔池具有一个小的空间偏移。采用不同的空间偏移量，实验结果显示除了完全的合并外和完全的分离外，这里还存在一个新的区域，在两个熔池中产生了周期性的合并。

成果简介
传统的金属粉末床激光增材制造（SLM）在当前面临的技术挑战存在由于低的制造速率和制造产能而存在打印尺度受到限制的问题。来自普林斯顿大学的研究人员及其合作者解决了这一困境。他们采取的一个办法就是采用 并行化多个激光束来增加加工的柔性。近来的研究表明，当使用2个或者更多的激光束进行SLM打印的时候，其最终产品的机械性能得到提高。然而，依然存在一些障碍需要解决包括熔池的相邻问题以及他们的相互作用机制，尤其是，两个相互作用，平行的熔池之间的相互作用问题没能得到很好的解决。在这里，两束激光平行的扫描熔化得到的熔池，两个熔池具有一个小的空间偏移。采用不同的空间偏移量，实验结果显示除了完全的合并外和完全的分离外，这里还存在一个新的区域，在两个熔池中产生了周期性的合并。高速影像结果显示了这一合并形成的不同机制。这是我们所注意到的头部到头部和头部到尾部的合并。通过改变包括激光功率和空间偏移等参数，具有不同波长的周期性结构可以采用双激光束的办法进行工程应用。

成果的 Graphical abstract

背景简介
增材制造技术（AM），又叫3D打印和快速成型技术，是一种通过层层堆积的方式实现3D物体的堆积。在当前，由于金属打印技术的制造容易和制造的经济性，金属的AM技术广泛的应用于航空航天，汽车和其他许多工业中。激光为基础的粉末床打印技术（SLM）技术是金属AM技术中最为普遍的一种技术。传统的SLM技术，采用的高斯激光束作为能量源来熔化粉末以制造最终的产品。然而，较慢的制造速率和其他技术上的挑战阻碍了SLM技术来获得更大的市场份额。

图1. 本成果中的双激光束实验装置的示意图

目前已经有研究是关于如何解决当前SLM技术所面临的挑战。例如，大量的研究曾经用来探究使用多激光束或定制的激光束进行加工的潜力。数值模拟技术用来解释何种类型的能量分布形状，如椭圆形的高斯能量会影响其显微组织和机械性能。在激光焊接的时候，新颖的激光束轮廓通过衍射光学元件（diffractive optical element (DOE)）可以提供对焊接熔池的很好的控制和提高表面粗糙度。同时，为了解决制造效率低的问题，近来的研究是聚焦在使用多光束来提高加工效率。Renishaw公司在AM设备中曾经引入四个独立控制的激光源来进行同时打印。Hong等人使用这个独特的Renishaw公司的设备进行加工并比较了产品的性能与单激光束之间的差别。Zhang等人实施了类似的工作，采用了一个多光束设备进行打印。Slodczyk等人则展示了一个通过衍射光学元件形成的矩形排列的激光束来实现在保持熔池的稳定的前提下实现提高熔化速率。Sundqvist等人也通过一个分析温度场在空间和瞬时的光束分布，来帮助快速的预测多个光束焊接时的温度轮廓。进一步的，Tsai等人构建了一个三光束的SLM系统，来整合衍射光学元件的作用。结果获得短的操作时间和表面粗度度的提高。

非常明显，为了实现SLM技术更加广泛的应用，提高SLM设备的制造柔性，采用平行的多光束是一种解决方案。在早先的研究中，曾经有报道使用两个激光束来进行SLM制造，这两个光束制造的熔池，在高的制造速率下就会出现完全分离，或者出现两个熔池完全合并。在后者的情形下，一个光束作为预热或者作为加热的光源来减少温度的梯度和提高制造产品的机械性能。我们相信这两种情形下存在一个鸿沟，即在两个熔池完全合并和完全分离的条件下存在一个过渡的情形。例如，目前不清楚并行光束的分辨率的限制，同时，尽管有研究是单光束的宏观组织和形貌的研究，但并行光束进行SLM制造时的宏观组织和的关键问题还没有人研究。

图2. 定义扫描间距和垂直偏移的示意图

为了理解以上提到的问题，普林斯顿大学的研究人员及其合作者，使用两个同一的，并行扫描的激光作为SLM制造的能量源。通过放置两个熔池的熔道非常接近的办法，我们研究了熔池在合并时的相互作用。通过这样做，两个熔池熔道的分辨率通过建立起来。与此同时，我们可以理解熔池从完全合并到完全分离之间的过渡。

图3. 改变扫描间距的同时保证垂直方向的偏移量固定

除了在两个熔池之间进行横向空间偏移之外，我们还在两个激光束之间施加了一个瞬时的偏移，这样就可以有效的产生一个在线的空间偏移量。引入的这个瞬时偏移可以使得我们能够进一步的研究这两个靠近的熔池在宽广的参数范围内是如何相互作用的。我们找到了一个区间，这一区间中的周期性的结构，在这一个不同的测试的激光功率中会在一定的空间进行偏移。此外，在一定的区域内进行空间偏移会改变周期性结构的波长。

实验方法

图1 所示为本研究中所采用的双激光实验装置。在这一装置中，两个激光波长为1070nm的激光，具有高斯分布的激光束能量运行在连续的模式下作为激光源。激光束，经过聚焦镜的窄化后，通过一个3D扫描系统，该扫描系统由光束扩束镜，2D 扫描振镜和 F-θ镜所组成。每一个扫描系统的扫描范围为 178mm × 178mm。通过这两个扫描镜的并列排列，采用搭接率的区域为20mm × 178mm。激光束和扫描振镜的控制通过PC电脑进行控制。脉冲的发生器用来控制点火的延迟时间，从而实现在两个激光之间的延迟和由此在两个激光束之间制造出一个小的空间偏移。然而，这一脉冲生成器只能在激光束切换的时候产生作用。一旦激光被激发，他们就会连续的发射出连续模式的激光来。

图4. 在保持扫描间距固定的时候改变垂直方向的偏移量所得到的结果

图5. 工艺图在激光功率分别为：(a) 60 W, (b) 80 W和 (c) 100 W的结果

▲图6. (a)-(c) 示意的显示在头部-头部的合并的时候的熔池的相互作用；（d）示意的显示头部-尾部的合并的时候熔池的熔道的截面

▲图7. (a)-(c) 示意的显示在头部-尾部的合并情形下的熔池相互作用的结果；（d）示意的的显示在头部-尾部合并情形下的熔池熔道的结果。

主要结论
经过研究，我们得出的主要结论有，引入两个参数，分别是扫描间距和垂直的平行偏析量，来排列两个同一的激光束进行SLM实验。结果发现出现了完全合并和完全分离的两个阶段。这一过渡的阶段导致了周期性的结构存在，从而造成采用单激光束进行传统的SLM制造的时候是很难进行制造的。对于给定的激光功率，周期性的结构只出现在特定的扫描间距和垂直的偏移量当中。通常来说，为了获得周期性的结构，同时需要扫描间距和垂直的偏移量随着功率的增加而增加。

研究周期性波长和形成机理的时候，揭示出这里存在两个情形，头部到头部和头部到尾部的合并。头部到头部的合并情形发生在当垂直的偏移量小于两个激光所产生的熔池的半长度的时候。头部到尾部的合并发生在当垂直的偏移量比较大的情形。通常来说，头部到头部情形的波长随着垂直偏移量的增加而降低，而波长随着在头部到尾部情形下的垂直偏移量的增加而线性增加。同时，通过使用熔池的长度来标准化垂直的偏移量和波长，研究人员发现不同的激光功率陷入到一个单个的模式的时候所产生的波长，前提是到路线同垂直偏移量相反的时候。

在接下来的研究中，研究人员将会进一步的探究采用两个激光束所得到的周期性结构的加工工艺。例如，采用较高的扫描速度和较高的激光功率得到的长的熔池也许有利于用来使得这一结论重新生效。这一双激光束的设置可以有利于采用双激光束进行常规的增材制造来实现高速的制造和有可能获得表面粗糙度比较好的结果。同时，我们将会分析采用这一新技术如何获得较好的组织。我们相信，当这一办法产生不同的能量分布的时候，其随后的熔池会同传统的SLM有所不同。其得到的显微组织，包括晶粒尺寸和晶粒的方位以及可能的气孔分布等，将会同传统的SLM有所不同。在这样的情形下，这一办法将会获得特定的显微组织和影响最终的局部的材料的性能。

▲图8. 熔池熔道在不同的垂直偏移量的条件下所得到的显微组织：(a) 30μm，(b) 105μm, (c) 255μm。以上三种条件均为激光功率为80W，扫描速度为150mm/s和扫描的间距为150μm

▲图9. 两个激光束在没有添加粉末的时候熔化材料表面所得到的熔道的金相照片

文章来源：Acta Materialia，Volume 201, December 2020, Pages 14-22，Using a dual-laser system to create periodic coalescence in laser powder bed fusion，https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.071