贝塞尔光束改善3D金属打印的孔隙和缺陷问题

基于激光的 3D 打印技术凭借着扩展性和复杂性，已经彻底改变了金属零件的生产。但传统上用于金属打印的激光束仍然存在缺点，可能导致缺陷和不良的机械性能。探索高功率激光打印过程中常用高斯光束（Gaussian beam）的替代形状，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员正尝试解决这个问题，其中一个突破口就是激光粉末床熔融（LPBF）。

近日发表在《Science Advances》的一篇论文中，研究人员对被称为贝塞尔光束（Bessel beams）的奇异光束形状进行了实验。这种光束拥有一些独特的特性，如自愈和非衍射。研究发现，这些类型的光束的应用减少了孔隙形成和“keyholing”（键合）的可能性，而高斯光束的使用加剧了 LPBF 的孔隙诱发现象。这项工作在该杂志 2021 年 9 月 17 日的封面上有所体现。

LLNL 的研究人员说，这项工作表明，贝塞尔光束等替代形状可以缓解 LBPF 技术中的主要问题：在激光与金属粉末相遇的地方发生的巨大热梯度和复杂的熔池不稳定性。这些问题主要是由大多数现成的高功率激光系统通常输出的高斯光束形状引起的。

该论文的主要作者、LLNL 研究科学家 Thej Tumkur Umanath 说：“使用高斯光束很像使用喷火器来烹饪你的食物；你不能很好地控制热量如何沉积在材料周围。有了贝塞尔光束，我们重新分配了一些远离中心的能量，这意味着我们可以设计热曲线，减少热梯度，以帮助微结构晶粒细化，并最终导致更密集的部件和更光滑的表面”。

传统光束的另一个缺点是，它们在传播过程中容易出现衍射（扩散）。贝塞尔光束由于其非衍射特性，可以提供更大的聚焦深度。因此，论文作者观察到，使用贝塞尔光束时，工件相对于激光焦点的位置的公差增加了。放置对于工业系统来说是一个挑战，因为这些系统经常依靠昂贵而敏感的技术，在每次沉积一层金属粉末时，将正在进行中的构建定位在聚焦光束的焦点深度内。

Tumkur 解释说：“贝塞尔光束因其非衍射和自愈特性而被广泛用于成像、显微镜和其他光学应用，但光束形状工程方法在基于激光的制造应用中相当少见。我们的工作解决了金属增材制造领域中光学物理学和材料工程之间似乎存在的脱节问题，即采用设计光束形状来实现对熔池动态的控制”。