根據(jù)3D科學(xué)谷此前的分享，2021年7月，LLNL美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室孵化的企業(yè)Seurat Technologies （修拉技術(shù)）完成了 4100 萬(wàn)美元的 B 輪融資，由 Capricorn 基金領(lǐng)投。加上此前的1350萬(wàn)的A輪融資，修拉技術(shù)共融資5450萬(wàn)美金（約合人民幣3.4億）。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，Seurat Technologies 發(fā)明了一種新穎的區(qū)域打印方法，有可能突破當(dāng)今金屬增材制造的限制。這項(xiàng)新技術(shù)并沒(méi)有增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束操縱方法來(lái)增加每次熔化的體積。雖然通常的金屬 AM 系統(tǒng)的光斑直徑為 100 微米，但 Seurat 系統(tǒng)可將 200 萬(wàn)個(gè)激光點(diǎn)傳送到粉末床區(qū)域中，每個(gè)光點(diǎn)的直徑約為 10 微米。使用這種方法，Seurat 可以同時(shí)大幅提高構(gòu)建速度，同時(shí)還可以提高分辨率。與其他單一激光系統(tǒng)相比，Seurat TechnologiesTM 將構(gòu)建速度提高了 1000 倍。

公司的名稱借鑒于印象畫(huà)派（點(diǎn)彩派）的創(chuàng)始人修拉Georges Seurat，Seurat Technologies-修拉背后的技術(shù)是如何與點(diǎn)彩派的畫(huà)法發(fā)生聯(lián)系的呢？3D科學(xué)谷結(jié)合ScienceDirect上的“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”論文分三期來(lái)深度洞悉這項(xiàng)技術(shù)的原理，本期為第二部分。

脈沖激光粉床缺陷模擬實(shí)驗(yàn)

/ 3 高速成像、模擬、挑戰(zhàn)與策略

3.1.高速成像

這里使用的區(qū)域熔化過(guò)程包括兩個(gè)步驟，(1) 預(yù)熱步驟，其中粉末被二極管激光器選擇性地照射，使粉末的溫度剛好低于熔點(diǎn)；(2) 熔化步驟，其中強(qiáng)烈的單一激光脈沖將預(yù)熱的粉末迅速熔化并固化成單層，并融合到基材表面（圖 1）。大約 4600 W/cm2 的激光能量密度提供了足夠的基板加熱，而不會(huì)過(guò)早熔化粉末并導(dǎo)致液體粉末顆粒聚結(jié)成更大的珠子。

為了能夠輕松比較各個(gè)實(shí)驗(yàn)和模擬，并最大限度地減少不同激光條件的變化，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)和模擬中，脈沖激光使用相同的脈沖長(zhǎng)度和能量。發(fā)現(xiàn)所使用的激光參數(shù)給出了最可重復(fù)的結(jié)果。在模擬和實(shí)驗(yàn)中僅使用層厚度和粉末粒徑的變化來(lái)確定打印過(guò)程中的主要物理特性以及粉末特性對(duì)缺陷形成的相對(duì)影響。

尺寸范圍為 15-32 μm (27 μm) 和典型層厚為 40 μm 的不銹鋼 316L 粉末的熔化通過(guò)高速成像被捕獲，如圖 2 所示?？梢钥吹郊す狻按纱u”圖案的輪廓在圖 2a 和 b 中，隨著激光強(qiáng)度下降（0 μs 和 1 μs）。

可以看到粉末迅速熔化并繼續(xù)凝聚成更大的液滴，直到 40 μs，并最終形成一些較寬的液體區(qū)域，如 40 和 100 μs 之間的暗區(qū)所見(jiàn)。大約 100 μs 后，液體幾乎靜止擴(kuò)張并開(kāi)始凝固。

山狀特征明顯為亮點(diǎn)，坑狀特征為灰點(diǎn)。暗區(qū)表示金屬相對(duì)平坦且沒(méi)有明顯將光散射回相機(jī)鏡頭的區(qū)域。請(qǐng)注意，在任何層中都沒(méi)有觀察到液體飛濺的噴射。這在這個(gè)過(guò)程中是典型的，金相橫截面表明，在這些實(shí)驗(yàn)中，熔體進(jìn)入基材的深度約為 5–10 μm。

圖 2. LAPBF 的高速成像影片 [二極管 4600 W/cm2 持續(xù) 8 ms，YAG ~26 J/cm2，10 ns – 100 μs [脈沖長(zhǎng)度 Seurat 專有]) 顯示正在打印的一塊“瓷磚”。? Science Direct

這部分是在 2 MHz（0.5 μs 的幀間距）下拍攝的。粉末厚度為 40 μm，使用 27 μm 的粉末尺寸。二極管激光器和脈沖激光器的眩光可以在 a,b) 中觀察到。時(shí)間 t = 0，對(duì)應(yīng)于高功率激光脈沖。激光“瓷磚”尺寸為2 mm × 2 mm。熔化的粉末顆粒會(huì)迅速聚結(jié)，并在 5 μs 內(nèi)收縮。液體運(yùn)動(dòng)大部分在大約 100 μs 后完成（參見(jiàn)視頻）。

3.2. 模擬：激光和流體物理

為了深入了解這些“山丘”和凹坑特征形成的物理過(guò)程，研究人員使用多物理代碼對(duì)照射 500 μm x 500 μm 區(qū)域的脈沖激光進(jìn)行了模擬，如圖 3 所示，模擬盒尺寸為 700 μm × 700 μm × 100 μm。為了減少模擬二極管激光器預(yù)熱的計(jì)算成本，初始溫度設(shè)置為 1633 K(約889攝氏度℃)（一維熱模型預(yù)測(cè)的表面溫度），二極管加熱表面 150 μs 以建立溫度梯度。

圖 3. ALE3D 模型顯示了 ~26 J/cm2 熔化脈沖（10 ns–100 μs（脈沖長(zhǎng)度 Seurat 專有））動(dòng)力學(xué)的不同階段。50 μm 厚的直徑為 35 μm 的粉末顆粒層用作起始層。粉末顆粒的頂部在 2 μs (b) 時(shí)達(dá)到沸騰溫度，此后立即發(fā)生聚結(jié)。液體運(yùn)動(dòng)基本上在 100 μs (e) 時(shí)完成。凹坑缺陷此時(shí)形成但稍后固化。隨著凝固的繼續(xù)，由于表面張力和流體流動(dòng)將液體吸入中心 (e, f)，在液體中心開(kāi)始形成山丘型缺陷。? Science Direct

圖 3 中的模擬是根據(jù)研究人員在圖 2 中的高速數(shù)據(jù)設(shè)置的鏡像條件，并使用 35 μm 的粉末直徑和 50 μm 的層厚度（實(shí)驗(yàn)平均值為 27 μm 直徑r，50 μm 厚度）。模擬設(shè)置用于觀察高強(qiáng)度激光脈沖期間發(fā)生的情況。模擬使用均勻的激光強(qiáng)度（忽略實(shí)際激光輪廓中的少量散斑，典型的相干脈沖激光）和測(cè)量的高強(qiáng)度脈沖的激光強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系。預(yù)計(jì)這種簡(jiǎn)化不會(huì)對(duì)模擬產(chǎn)生很大影響，因?yàn)樯咭鸬膹?qiáng)度變化很小，并且當(dāng)激光由于傳導(dǎo)而關(guān)閉時(shí)，由于強(qiáng)度變化引起的任何局部溫度變化都會(huì)迅速消除。

圖 3a 顯示了脈沖激光啟動(dòng)前的溫度分布。在 2 μs（圖 3b）時(shí)，粉末的頂部處于沸騰溫度，由黑色輪廓表示。與在傳統(tǒng) LPBF 的實(shí)驗(yàn)和模擬中觀察到的類似，由于液態(tài)金屬在沸點(diǎn)引起的蒸汽噴射導(dǎo)致液體中的向下力。這導(dǎo)致熔融粉末顆粒變形和變平，增加了顆粒半徑，并允許在先前未接觸的相鄰顆粒之間形成頸部（圖 3c）。蒸氣壓的作用用于將粉末固結(jié)成更具凝聚力的層。此后，熔融顆粒的聚結(jié)開(kāi)始并持續(xù)到大約 30 μs。然后液體開(kāi)始通過(guò)傳導(dǎo)熔化表面并擴(kuò)散到它能夠潤(rùn)濕表面的所有區(qū)域。

100 μs后（圖3e），液體運(yùn)動(dòng)幾乎完成，邊緣開(kāi)始凝固，類似于高速成像中觀察到的。在激光脈沖期間基板表面沒(méi)有熔化的一些區(qū)域形成凹坑特征，因?yàn)橐后w不能容易地流入這些區(qū)域，因?yàn)闆](méi)有充分加熱以使其熔化。上覆的熔融粉末顆粒沒(méi)有足夠的儲(chǔ)存熱量來(lái)熔化基材表面。在其他區(qū)域，已形成的凹坑特征（圖 3e）能夠被液體覆蓋，因?yàn)樽銐虻臒崮軓娜廴谝后w轉(zhuǎn)移到表面使其熔化，從而使液體潤(rùn)濕和流動(dòng)（圖 3f） .隨著凝固的繼續(xù)和邊緣的凝固，流體流動(dòng)和表面張力將液體吸入中心并在瓷磚中心產(chǎn)生山丘型特征。

對(duì)該模擬的進(jìn)一步檢查表明，凹坑和山丘特征受到基底陰影和由于溫度梯度產(chǎn)生的 Marangoni 流體流的強(qiáng)烈影響。圖 4 顯示了由水平流體速度（x 分量）表示的相同模擬。紅色表示向右的流體速度，藍(lán)色表示向左的流體速度。在圖 4d 中可以看出，在 110 μs 處，流體流動(dòng)加深了一個(gè)“坑”特征并升高了一個(gè)“山丘”特征，并持續(xù)到以后的時(shí)間。黑色箭頭表示要素附近的流體流動(dòng)方向。已經(jīng)觀察到常規(guī) LPBF 中的類似效果。

激光脈沖的光線追蹤分析表明，基板上的冷點(diǎn)是由上覆粉末顆粒的陰影形成的，阻礙了激光脈沖有效加熱基板（圖 4 中的虛線圓圈）。虛線圓圈表示在該區(qū)域跟蹤坑特征形成的相同位置。就像在傳統(tǒng)的 LPBF 工藝中一樣，將能量耦合到基材中對(duì)于完全固結(jié)材料很重要；如果激光能量沒(méi)有在正確的位置被有效吸收，則可能會(huì)形成缺陷。

圖 4. 流體流速的水平方向（x 分量）來(lái)自與圖 3 相同的模擬，以紅色和藍(lán)色顯示。紅色表示流體向右移動(dòng)，藍(lán)色表示向左移動(dòng)。在凹坑和山丘缺陷附近，流體分別遠(yuǎn)離和流向這些特征。虛線圓圈顯示了基板陰影區(qū)域 (a) 的位置，該區(qū)域在以后的時(shí)間 (b-f) 會(huì)導(dǎo)致凹坑缺陷。小箭頭表示表面速度方向。? Science Direct

由于陰影效應(yīng)強(qiáng)烈影響激光加熱基板的能力，因此使用與圖 3 中相同的粉末尺寸 (35 μm) 進(jìn)行模擬，但使用相同的初始條件和激光運(yùn)行單個(gè)單層粉末能量和注量（圖 5）。單個(gè)單層應(yīng)該有更多的激光穿透到基板。使用單層的模擬與使用較厚層的模擬表現(xiàn)出明顯不同的行為。2 μs 的溫度分布表明，顆粒表面和以前一樣處于沸騰溫度，但因?yàn)榛妆砻鏇](méi)有被粉末顯著遮擋，而且更多的表面接近熔化溫度 (1700 K)(約926攝氏度℃) .其效果是熔融顆粒能夠?qū)崃總鬟f到表面，將其熔化、潤(rùn)濕。

然后向外流成平坦的一層，到 25 μs 時(shí)，液體運(yùn)動(dòng)幾乎完成，該層凝固成一個(gè)平坦的、無(wú)特征的層。熔體進(jìn)入基板的深度測(cè)量為大約 10 μm（通過(guò)橫截面實(shí)驗(yàn)確認(rèn)），非常接近熱長(zhǎng)度 √(Dt)，為 11 μm（ t = 25 μs [液體運(yùn)動(dòng)時(shí)間]和 316L SS 的擴(kuò)散率 [D = 0.05 cm2/s]）。

圖 5. 35 μm 直徑粉末的單層粉末模擬。激光參數(shù)與圖 3、圖 4 中的相同。表面的完全潤(rùn)濕是由于表面熔化增加而產(chǎn)生的，并導(dǎo)致形成平坦、無(wú)特征的層。? Science Direct

這提出了一個(gè)問(wèn)題，即單層大粉末是否會(huì)產(chǎn)生相同的結(jié)果，加熱基材是否允許熔化粉末的最終平坦形態(tài)。圖 6 顯示了使用相同激光條件和 50 μm 粉末單層的模擬。模擬顯示了“大坑”和“山”缺陷，與 c 中顯示的實(shí)驗(yàn)形態(tài)非常相似，使用相同的粉末尺寸和厚度。顯然，使用較大的粉末不會(huì)導(dǎo)致平坦的層形態(tài)。如果考慮到熱擴(kuò)散到層中，則不良形態(tài)可直接歸因于時(shí)間不足以使粉末顆粒熔化。熔化時(shí)間可以估計(jì)為 a2/D，其中 a 是熔化深度。對(duì)于 a = 10 μm，熔化時(shí)間比脈沖持續(xù)時(shí)間（1 μs 級(jí)）長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這解釋了為什么在模擬和實(shí)驗(yàn)中，小直徑的粉末可以充分熔化成光滑的層，而 50 μm 的粉末則不能。

圖 6. 模擬（a）使用直徑為 50 μm 的單層粉末，（b）激光曝光后和（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的光學(xué)圖像（以與模擬相同的比例顯示，即相同的比例尺）使用50 μm 厚的一層中含有 54 μm 的粉末。? Science Direct

為了確認(rèn)模擬的預(yù)測(cè)是正確的，對(duì)粉末厚度減小的單層進(jìn)行了拍攝，并使用一系列層厚打印了單柱。圖 7a-c 顯示了單個(gè) 30 μm 厚粉末層（27 μm 直徑）的高速成像，底層相對(duì)平坦且無(wú)特征，粉末層光滑。層厚度應(yīng)類似于模擬中使用的單層，但由于粒度分布而存在一些較小的顆粒。正如模擬所預(yù)測(cè)的那樣，所得層（圖 7b）顯示出比使用 40 μm 厚層時(shí)更好的平滑度。

在圖 7c 中嘗試通過(guò)跟蹤圖像運(yùn)動(dòng)來(lái)確認(rèn)該層的缺陷減少，該運(yùn)動(dòng)被發(fā)現(xiàn)類似于受照射的液體運(yùn)動(dòng)面積，因?yàn)樵谌刍^(guò)程中基本上不存在其他粉末運(yùn)動(dòng)。該圖像是通過(guò)獲取高速視頻中相鄰幀之間的差異并將所有這些差異圖像相加為一張圖像來(lái)構(gòu)建的。由于每個(gè)差異圖像跟蹤表面的局部運(yùn)動(dòng)，總和圖像跟蹤熔化和聚結(jié)后表面的總運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液態(tài)熔融粉末顆粒聚結(jié)并且液體流入更平坦的層時(shí)，可以通過(guò)對(duì)幀之間的差異求和來(lái)跟蹤運(yùn)動(dòng)。

亮強(qiáng)度表示明顯的液體運(yùn)動(dòng)，暗強(qiáng)度表示表面沒(méi)有運(yùn)動(dòng)。該圖像給出了液體存在位置的定性意義。沒(méi)有運(yùn)動(dòng)（黑暗）的位置可能保持固體（因?yàn)橐后w會(huì)趨于芯吸）并且更有可能形成山丘或凹坑特征?？梢钥闯鏊谡麄€(gè)“補(bǔ)丁”中相對(duì)平滑，表明流體運(yùn)動(dòng)分布良好，并且可能形成的缺陷很少。

圖 7. 使用 27 μm 直徑粉末、30 μm 層厚的單層打?。?600 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脈沖長(zhǎng)度 Seurat 專有））。(a) 散布的粉末層光滑，沒(méi)有大的缺陷，導(dǎo)致 (b) 光滑的打印層（暗區(qū)）。(c) 整個(gè)貼片的液體運(yùn)動(dòng)相對(duì)均勻。顯示了使用三個(gè)獨(dú)立層厚度 (d) 的構(gòu)建，突出顯示了使用較厚粉末層時(shí)產(chǎn)生的缺陷。使用 20 μm 厚的層，達(dá)到的密度為 99.5%。熔體工藝的進(jìn)一步優(yōu)化 (e) 隨后能夠始終如一地實(shí)現(xiàn)超過(guò) 99.8% 的密度。? Science Direct

在圖 7d 中，顯示了在保持激光參數(shù)不變的情況下在整個(gè)高度使用不同層厚度構(gòu)建的支柱。40 μm 的層厚導(dǎo)致大量孔隙，實(shí)現(xiàn)ng 理論密度的 96.5%。將層厚減少到 30 μm，密度增加到 99.0%。使用 20 μm 層發(fā)現(xiàn)最佳密度，通過(guò)光學(xué)截面測(cè)量達(dá)到理論密度的 99.5%。雖然零件太小，無(wú)法通過(guò)阿基米德方法進(jìn)行可靠測(cè)量，但在高密度下，光學(xué)顯微鏡的結(jié)果通常非常接近阿基米德方法。熔體工藝的進(jìn)一步優(yōu)化（4800 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脈沖長(zhǎng)度- Seurat提供 ）隨后能夠始終如一地實(shí)現(xiàn)超過(guò) 99.8% 的密度。圖 7e 顯示了在垂直堆疊的整個(gè)構(gòu)建過(guò)程中密度始終 > 99.8% 的大規(guī)模樣本。