運用聚焦高斯型光束的粉末床熔基非金屬增材創(chuàng)造波及的高熱梯度和攙雜的熔池不寧靜性，常常引導高孔隙率、蹩腳的形貌品質和蛻化的力學本能。在此，來自美利堅合眾國勞倫斯利弗莫爾國度的 MANYALIBO J.MATTHEWS等接洽者領會表白，與高斯光束比擬，貝塞爾光束供給了空前絕后的對不銹鋼(SS 316L)熔體池時間和空間衍化的遏制。關系論以題為“Nondiffractive beam shaping for enhanced optothermal control in metal additive manufacturing”公布在Science Advances上。

輿論鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358

鑒于激光的非金屬增材創(chuàng)造(AM)或三維(3D)打字與印刷，在往日幾十年贏得了宏大的吸吸力，由于它為趕快成型和攙雜安排的創(chuàng)造供給了一條路途，具備勝過傳控制造本領的特出力學本能。激光粉末床聚變(L-PBF)，從來是非金屬3D打字與印刷的金規(guī)范，在掃描進程中，激光光束映照非金屬粉末材料床，順序融化并產(chǎn)生所需形勢的構造。L-PBF中運用的高激光強度(~MW/cm2)，引導高凝結成長速度(R)和融化池中文大學的熱梯度(G)。所以，熱和品質傳輸體制在于于由攙雜的熔體震動能源學和重復加熱冷卻輪回的積聚效力形成的不寧靜性，這大概會倒霉地引導缺點和孔隙。高G/R比值也會引導柱狀晶粒長大和剩余應力，倒霉于贏得各向異性力學本能。

經(jīng)過沿用合金安排、粉末材料工程和大略的呆板參數(shù)優(yōu)化等戰(zhàn)略，AM的內涵控制性仍舊獲得了確定水平的革新。更直覺的是，在L-PBF進程中激勵融化的激光強度弧線該當感化熔池的空間散布，進而感化熱梯度和凝結能源學。但是，進程激光束的強度散布常常被忽略，接洽很少，這大概是由于大普遍高功率貿易萊塞輸入的是TEM00形式，常常稱為高斯光束。高斯光束的特性是在1/e2束腰內具備強局域化，個中包括約86%的入射功率。

因為在精細聚焦地區(qū)供給的頂峰值強度，高斯束開辟的熔體池特殊簡單爆發(fā)(i)匙孔局面，這是因為熔體池的汽化和在底層熔體池上的反沖壓力的積聚而爆發(fā)的，以及(ii)飛濺的爆發(fā)，即：噴出未融化或融化的粉末顆粒。匙孔和噴濺，都對印刷品的直觀和介觀本能有倒霉感化，由于它們會引導印刷品孔隙的產(chǎn)生和較差的外表品質。在安排熱散布上面不足精巧性，這是遏制融化池流體能源學引導的其余不蓄意的感化的重要挑撥，囊括激光-物資和激光-羽流彼此效率以及孔隙度、對立密度和外表精細度之間的彼此效率。高外表精細度的印刷產(chǎn)物，已表明無助于于急遽縮小勞累壽命。

連年來，激光光束整形本領被運用于工程光與物資彼此效率范圍，以處置聚焦高斯光束在非金屬AM中的不及。更加是，與高斯光束比擬，反高斯(環(huán)形)光束不妨在更大的掃描參數(shù)范疇內減少飛濺的爆發(fā)并縮小缺點。在單軌接洽中，長圓光束表面激烈地感化凝結構造，并減少等軸晶粒的目標性。其余，平頂梁也不妨實行平均的溫度散布，并在平淡能量密度下贏得精致構造。但是，這種從光束重心到邊際的類高斯和超高斯徑向強度變革，在熔體池中形成了很大的熱梯度，控制了這種光束靈驗的掃描參數(shù)空間。要害的是，保守的聚焦光束簡單爆發(fā)激烈的衍射(分散)。所以，因為力學定位的不普遍性，在光束中心上透徹定位建立外表的不決定性大概特殊高。其余，高的貫串激光功率(千瓦)和對立較長的中斷功夫，須要L-PBF常常引導大光學組件上的熱應力和熱鏡片效力等，引導了不良反饋，這會使興辦外表的強度散布爆發(fā)歪斜，或使中心從從來的場所變化。

另一上面，貝塞爾光束是一種更普遍的非衍射光束形勢，對薄層顯微鏡和光學俘獲等運用至關要害?？v然不妨構想和實行幾種非衍射和空間工程光束形勢，但它們常常波及運用多種攙雜的光學元件和/或空間光調制器，這大概不實用于波及高激光功率的運用。零級貝塞爾光束不妨運用大略的光學元件爆發(fā)，而不會對貿易3D打字與印刷機的可積性形成本質性挑撥。貝塞爾光束展現(xiàn)出特殊的光學個性，囊括擴充的聚焦深度(或無衍射的傳遞范疇)和自愈性，個中圓錐形波大略地勝過傳遞路途上的妨礙重修，潛伏地減少了L-PBF中氣氛飛濺形成的無益感化。至關要害的是，縱然須要探究遏制激光-資料彼此效率和革新最后資料本能的本領，但對于L-PBF中攙雜非衍射光束對資料相應的感化知之甚少。

在此，接洽者創(chuàng)造貝塞爾光束貶低了L-PBF (SS 316L不銹鋼)中聚焦平面定位的精巧度。接洽者還表白貝塞爾光束爆發(fā)的熔體池，具備更大的寬高比(更窄和更深)，明顯貶低了在宏大的參數(shù)空間內匙孔形式融化的目標。對熔池衍化和凝結能源學的高速成像，揭穿了貝塞爾光束寧靜熔池湍流和減少熔池凝結功夫的特殊體制，這是因為貶低了熱梯度。所以，接洽者查看到，在3D打字與印刷嘗試構造中，高密度、貶低外表精細度和宏大的拉伸本能獲得了鮮明革新。

圖1 高斯和貝塞爾光束形勢的強度散布表示圖。

圖2 束形對熔池尺寸的感化。

圖3 歸一化熔池深度動作能量密度的因變量。

圖4 靜態(tài)熔池的高速成像。

圖5 分散融化池的高速成像。

圖6 光束整形對力學本能的感化。

圖7 兩種光束形勢的G-R凝結圖。

接洽者估計貝塞爾光束整形，對光學和吸附性關系的熱局面的感化，如焦平面貌差、熔體池湍流和鎖孔目標，如正文對準SS316L所通訊的，不妨定性地運用于普遍的非金屬和合金，縱然對其余資料的微觀構造和力學本能的感化，須要進一步接洽。（文：胎生）

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