LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化，洞悉修拉金属3D打印背后的技术
2021年7月，LLNL美国国家实验室孵化的企业Seurat Technologies （修拉技术）完成了 4100 万美元的 B 轮融资，由 Capricorn 基金领投。加上此前的1350万的A轮融资，修拉技术共融资5450万美金（约合人民币3.4亿）。这种技术孵化于LLNL国家实验室。使用光寻址光阀（OALV-optically-addressable light valve）作为光掩模，一次性打印整层金属粉末。使用多路复用器，激光二极管和 Q开关激光脉冲来选择性地熔化每层金属粉末。近红外光的图案化是通过将光成像到光寻址光阀-OALV上实现的。
这种打印技术除了可以生产较大零件的能力外，还可以产生与现在的金属3D打印机相当的打印质量，并且可能超越今天的金属3D打印质量，通过在投影图像中微调灰度梯度的能力意味着更好地控制残余应力和材料微观结构。公司的名称借鉴于印象画派（点彩派）的创始人修拉Georges Seurat，修拉背后的技术是如何与点彩派的画法发生联系的呢？结合ScienceDirect上的“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”论文分期来深度洞悉这项技术的原理,此文为最后部分-Part3。
修拉的大面积脉冲激光粉末床熔化金属3D打印技术© Seurat修拉
激光吸收与粉末熔化的平衡
3.3 影响和挑战
为了获得平坦的最终层形态，LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化中，基板必须处于接近熔化的温度，以便激光脉冲和来自上覆颗粒的热传递可以有效地熔化表面。激光脉冲必须在熔体中产生足够高的温度，以便在传导带走过多热量之前，熔融金属可以传递足够的热量以熔化整个粉末以及基材表面。液体中储存的能量是激光吸收率和液态金属热质量的函数。总激光吸收率、金属质量和局部加热在很大程度上受粉末尺寸和空间分布的控制。
研究人员发现通过激光脉冲和二极管加热基板有些挑战性，因为由于多次反射，粉末中的吸收比基板高得多（基板接收的能量比粉末少 2-5 倍）。由于粉末颗粒中的导热性非常低（由于物理接触减少），当受到 Nd:YAG 激光脉冲照射时，它们会迅速加热。这对LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺中的床温和二极管预热提出了额外的要求，以尽量减少这些影响。通过优化粉末分布、YAG 激光脉冲时间包络、床温和二极管激光脉冲时间，可以潜在地实现工艺改进。
LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化中粉末的重涂或散布是一项具有可重复性和均匀性的具有挑战性的任务。如本文中的模拟所示，粉末厚度的不均匀性直接影响其熔体行为。使用小于或等于铺展厚度的粉末直径必然会提高层的再现性和均匀性，从而使粉末能够在单层中完全熔化。此外，均匀分布的层最大限度地减少了基板的阴影，使足够的激光穿透来加热基板。相比之下，传统的 LPBF 会深深地融入基材（锁孔机制），使该过程对粉末的厚度不那么敏感，但这是以速度和飞溅效应为代价的。
如上所述，调整二极管激光器、脉冲激光器或两者都可以用来改变这个过程的时间动态，以适应不同的打印要求。如果增加 Nd:YAG 激光脉冲持续时间，可以增加有效熔体深度。应该注意的是，传导和熔化之间的竞争在更长的脉冲长度下变得更强，并且需要增加能量输入以抵消传导损耗并实现相同程度的熔化。因此，控制粉末尺寸可能是更实用的解决方案。
由于LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺中的熔体深度非常浅（~10 μm，通过横截面进行模拟和实验验证），因此减少了液体因蒸汽喷射而受到的力所引起的运动量。传统 LPBF 工艺的深度熔化会导致大的液体波，产生可以喷射的飞溅颗粒，随后在后续激光通道中导致缺陷（例如缺乏融合孔），最终会限制机械性能。
LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺没有明显的液体飞溅喷射和很少的粉末运动（拍摄了数十个高速视频，表明相同）。没有液体飞溅似乎是该工艺的主要优点。虽然可以在典型的 LPBF 中优化实现高密度的参数，但随机飞溅颗粒仍然会导致缺陷。在脉冲激光熔化过程中，一旦优化了构建参数，随机飞溅事件导致缺陷的可能性很小，从而消除了 LPBF 中产生缺陷的常见原因。
LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺中基材的浅熔化具有一些额外的优点。由于传统的 LPBF 的熔池通常在基板上层 50–100 µm 处运行，以提供高密度构建材料，因此基板材料会多次熔化和重熔，需要额外的热量输入进入构建。大量的沉积热量会产生高残余应力和塑性变形，在制造复杂零件时会导致变形并降低所需的精度。
LAPBF 方法熔化先前沉积的层，其厚度小于新层厚度，或大约 10 μm。因此，对于相同的激光效率，脉冲工艺将使用比传统 LPBF 少得多的能量。较低的能量输入将节省能源并可能生产出残余应力较低的零件。这是值得持续关注的探索方向。
大多数传统的 LPBF 工艺在材料沸点或接近沸点时运行，即使是中等激光功率也会在熔池中产生蒸汽抑制。众所周知，蒸发与温度呈指数关系，并且是飞溅和烟尘（冷凝物）产生的关键驱动因素。
通过使用LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化，温度平均更接近材料的熔点，因此大大减少了烟灰产生。
4 总结与结论
使用高速成像和多物理场模拟研究了LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺的物理学。模拟考虑了与温度相关的材料特性和与空间相关的激光吸收，并详细了解了脉冲熔化过程，并允许调整该过程以避免形成空隙。粉末的熔化、流体流动、蒸气压和能量耦合到基材中都在固结过程中发挥了重要作用。
LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺过程中，激光脉冲到达后几乎没有材料喷射，这与传统的LPBF不同，粉末和液体喷射是常见的。粉末颗粒顶部的点达到沸点，蒸气压反冲使熔融液滴变平，导致相邻液滴之间形成颈部。此后发生聚结/固结，熔融金属熔化下面的基材并润湿这些区域。
由于LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺中的激光脉冲短，激光脉冲下的粉末只能熔化到一定深度，大直径粉末颗粒不能完全熔化。根据粉末的大小和分布，基材的某些区域可能会被激光充分加热以最终熔化，或者它们被覆盖在上面的粉末遮蔽而没有熔化。基板的未熔化区域倾向于形成难以用后续层填充的坑状特征，而为了实现高质量、高密度的构建，需要平坦的层形态。
由于局部温度梯度，Marangoni 流似乎通过导致更高的侧面生长而加剧了丘陵和凹坑特征的产生。通过模拟显示，小粉末直径和薄层厚度会带来无特征的层，因为通过传入脉冲更有效地加热基板，并允许熔融粉末熔化表面并向外流动成平坦形态。重复这些条件的实验导致构建具有> 99.8% 的理论密度。
LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺有望减少 AM-增材制造 的制造时间，这种方法可推广到任何熔化和冻结的材料，而不仅仅是这里考虑的 316L。在这项研究中，仅评估了许多变量中的几个。然而，通过控制粉末尺寸和层厚，该工艺可以有效地允许大面积激光脉冲以更快的速度构建高密度部件。此外，这种脉冲 LAPBF 工艺能够在打印过程中基于每个体素改变脉冲长度和持续时间。正是这种灵活的控制有可能进一步控制熔池、冷却/加热速率、微观结构组成、晶粒取向和残余应力的减轻。
突破带来更广阔的商业空间
今天的3D打印-增材制造只占市场的一小部分，主要集中在医疗和航空航天领域的高价值应用。仅仅在传统制造技术中那些通常已经很昂贵的，具有高性能要求的零件，为传统的增材制造技术提供了理想的商业案例。
根据3D科学谷的了解，Seurat的区域打印技术突破了现有的单件成本障碍。与当今的增材制造技术相比，第一代系统的成本已经降低了 50%。然而，根据3D科学谷的了解，Seurat独特的技术原理有可能进一步降低成本。Seurat未来几代机器的目标是到 2030年制造成本赢过传统压铸工艺，这将标志着增材制造成为主流技术的突破。
根据3D科学谷的了解，Seurat通过进一步降低制造成本来打入更大的市场。使用Seurat第一代机器，可实现约 300 美元/公斤的制造成本，这可能使市场规模增加一倍。预计Seurat 2024 年推出的第二代系统以及 2027 年和 2030 年的后续系统将真正改变游戏规则。Seurat的GenX 将制造成本降低至 25 美元/公斤以下，从而开启更大的金属制造市场。
而根据Science Direct上论文的介绍，Seurat的核心LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺可以通过改变脉冲长度和持续时间，进一步控制熔池、冷却/加热速率、微观结构组成、晶粒取向和残余应力的减轻。
这或许是LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺具备强健的商业化空间的本质原因：提供规模生产所需要的效率和经济性，且满足制造所需要的分辨率和质量。
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