根据3D科学谷此前的分享，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）。

根据3D科学谷的市场观察，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？3D科学谷结合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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根据3D科学谷的了解，Seurat Technologies 发明了一种新颖的区域打印方法，有可能突破当今金属增材制造的限制。这项新技术并没有增加激光源的数量，而是使用一种全新的光束操纵方法来增加每次熔化的体积。虽然通常的金属 AM 系统的光斑直径为 100 微米，但 Seurat 系统可将 200 万个激光点传送到粉末床区域中，每个光点的直径约为 10 微米。使用这种方法，Seurat 可以同时大幅提高构建速度，同时还可以提高分辨率。与其他单一激光系统相比，Seurat TechnologiesTM 将构建速度提高了 1000 倍。

公司的名称借鉴于印象画派（点彩派）的创始人修拉Georges Seurat，Seurat Technologies-修拉背后的技术是如何与点彩派的画法发生联系的呢？3D科学谷结合ScienceDirect上的“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”论文分三期来深度洞悉这项技术的原理，本期为第二部分。

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

脉冲激光粉床缺陷模拟实验

 3 高速成像、模拟、挑战与策略

3.1.高速成像

这里使用的区域熔化过程包括两个步骤，(1) 预热步骤，其中粉末被二极管激光器选择性地照射，使粉末的温度刚好低于熔点；(2) 熔化步骤，其中强烈的单一激光脉冲将预热的粉末迅速熔化并固化成单层，并融合到基材表面（图 1）。大约 4600 W/cm2 的激光能量密度提供了足够的基板加热，而不会过早熔化粉末并导致液体粉末颗粒聚结成更大的珠子。

为了能够轻松比较各个实验和模拟，并最大限度地减少不同激光条件的变化，在每个实验和模拟中，脉冲激光使用相同的脉冲长度和能量。发现所使用的激光参数给出了最可重复的结果。在模拟和实验中仅使用层厚度和粉末粒径的变化来确定打印过程中的主要物理特性以及粉末特性对缺陷形成的相对影响。

尺寸范围为 15-32 µm (27 µm) 和典型层厚为 40 µm 的不锈钢 316L 粉末的熔化通过高速成像被捕获，如图 2 所示。可以看到激光“瓷砖”图案的轮廓在图 2a 和 b 中，随着激光强度下降（0 μs 和 1 μs）。

可以看到粉末迅速熔化并继续凝聚成更大的液滴，直到 40 μs，并最终形成一些较宽的液体区域，如 40 和 100 μs 之间的暗区所见。大约 100 μs 后，液体几乎静止扩张并开始凝固。

山状特征明显为亮点，坑状特征为灰点。暗区表示金属相对平坦且没有明显将光散射回相机镜头的区域。请注意，在任何层中都没有观察到液体飞溅的喷射。这在这个过程中是典型的，金相横截面表明，在这些实验中，熔体进入基材的深度约为 5–10 μm。

图 2. LAPBF 的高速成像影片 [二极管 4600 W/cm2 持续 8 ms，YAG ~26 J/cm2，10 ns – 100 μs [脉冲长度 Seurat 专有]) 显示正在打印的一块“瓷砖”。
© Science Direct

这部分是在 2 MHz（0.5 μs 的帧间距）下拍摄的。粉末厚度为 40 µm，使用 27 µm 的粉末尺寸。二极管激光器和脉冲激光器的眩光可以在 a,b) 中观察到。时间 t = 0，对应于高功率激光脉冲。激光“瓷砖”尺寸为2 mm × 2 mm。熔化的粉末颗粒会迅速聚结，并在 5 μs 内收缩。液体运动大部分在大约 100 μs 后完成（参见视频）。

3.2. 模拟：激光和流体物理

为了深入了解这些“山丘”和凹坑特征形成的物理过程，研究人员使用多物理代码对照射 500 µm x 500 µm 区域的脉冲激光进行了模拟，如图 3 所示，模拟盒尺寸为 700 µm × 700 µm × 100 µm。为了减少模拟二极管激光器预热的计算成本，初始温度设置为 1633 K(约889摄氏度℃)（一维热模型预测的表面温度），二极管加热表面 150 μs 以建立温度梯度。

图 3. ALE3D 模型显示了 ~26 J/cm2 熔化脉冲（10 ns–100 μs（脉冲长度 Seurat 专有））动力学的不同阶段。50 µm 厚的直径为 35 µm 的粉末颗粒层用作起始层。粉末颗粒的顶部在 2 μs (b) 时达到沸腾温度，此后立即发生聚结。液体运动基本上在 100 μs (e) 时完成。凹坑缺陷此时形成但稍后固化。随着凝固的继续，由于表面张力和流体流动将液体吸入中心 (e, f)，在液体中心开始形成山丘型缺陷。
© Science Direct

图 3 中的模拟是根据研究人员在图 2 中的高速数据设置的镜像条件，并使用 35 μm 的粉末直径和 50 μm 的层厚度（实验平均值为 27 μm 直径r，50 μm 厚度）。模拟设置用于观察高强度激光脉冲期间发生的情况。模拟使用均匀的激光强度（忽略实际激光轮廓中的少量散斑，典型的相干脉冲激光）和测量的高强度脉冲的激光强度与时间的关系。预计这种简化不会对模拟产生很大影响，因为散斑引起的强度变化很小，并且当激光由于传导而关闭时，由于强度变化引起的任何局部温度变化都会迅速消除。

图 3a 显示了脉冲激光启动前的温度分布。在 2 μs（图 3b）时，粉末的顶部处于沸腾温度，由黑色轮廓表示。与在传统 LPBF 的实验和模拟中观察到的类似，由于液态金属在沸点引起的蒸汽喷射导致液体中的向下力。这导致熔融粉末颗粒变形和变平，增加了颗粒半径，并允许在先前未接触的相邻颗粒之间形成颈部（图 3c）。蒸气压的作用用于将粉末固结成更具凝聚力的层。此后，熔融颗粒的聚结开始并持续到大约 30 μs。然后液体开始通过传导熔化表面并扩散到它能够润湿表面的所有区域。

100 μs后（图3e），液体运动几乎完成，边缘开始凝固，类似于高速成像中观察到的。在激光脉冲期间基板表面没有熔化的一些区域形成凹坑特征，因为液体不能容易地流入这些区域，因为没有充分加热以使其熔化。上覆的熔融粉末颗粒没有足够的储存热量来熔化基材表面。在其他区域，已形成的凹坑特征（图 3e）能够被液体覆盖，因为足够的热能从熔融液体转移到表面使其熔化，从而使液体润湿和流动（图 3f） .随着凝固的继续和边缘的凝固，流体流动和表面张力将液体吸入中心并在瓷砖中心产生山丘型特征。

对该模拟的进一步检查表明，凹坑和山丘特征受到基底阴影和由于温度梯度产生的 Marangoni 流体流的强烈影响。图 4 显示了由水平流体速度（x 分量）表示的相同模拟。红色表示向右的流体速度，蓝色表示向左的流体速度。在图 4d 中可以看出，在 110 μs 处，流体流动加深了一个“坑”特征并升高了一个“山丘”特征，并持续到以后的时间。黑色箭头表示要素附近的流体流动方向。已经观察到常规 LPBF 中的类似效果。

激光脉冲的光线追踪分析表明，基板上的冷点是由上覆粉末颗粒的阴影形成的，阻碍了激光脉冲有效加热基板（图 4 中的虚线圆圈）。虚线圆圈表示在该区域跟踪坑特征形成的相同位置。就像在传统的 LPBF 工艺中一样，将能量耦合到基材中对于完全固结材料很重要；如果激光能量没有在正确的位置被有效吸收，则可能会形成缺陷。

图 4. 流体流速的水平方向（x 分量）来自与图 3 相同的模拟，以红色和蓝色显示。红色表示流体向右移动，蓝色表示向左移动。在凹坑和山丘缺陷附近，流体分别远离和流向这些特征。虚线圆圈显示了基板阴影区域 (a) 的位置，该区域在以后的时间 (b-f) 会导致凹坑缺陷。小箭头表示表面速度方向。
© Science Direct

由于阴影效应强烈影响激光加热基板的能力，因此使用与图 3 中相同的粉末尺寸 (35 μm) 进行模拟，但使用相同的初始条件和激光运行单个单层粉末能量和注量（图 5）。单个单层应该有更多的激光穿透到基板。使用单层的模拟与使用较厚层的模拟表现出明显不同的行为。2 μs 的温度分布表明，颗粒表面和以前一样处于沸腾温度，但因为基底表面没有被粉末显着遮挡，而且更多的表面接近熔化温度 (1700 K)(约926摄氏度℃) .其效果是熔融颗粒能够将热量传递到表面，将其熔化、润湿。

然后向外流成平坦的一层，到 25 μs 时，液体运动几乎完成，该层凝固成一个平坦的、无特征的层。熔体进入基板的深度测量为大约 10 µm（通过横截面实验确认），非常接近热长度 √(Dt)，为 11 µm（ t = 25 µs [液体运动时间]和 316L SS 的扩散率 [D = 0.05 cm2/s]）。

图 5. 35 μm 直径粉末的单层粉末模拟。激光参数与图 3、图 4 中的相同。表面的完全润湿是由于表面熔化增加而产生的，并导致形成平坦、无特征的层。
© Science Direct

这提出了一个问题，即单层大粉末是否会产生相同的结果，加热基材是否允许熔化粉末的最终平坦形态。图 6 显示了使用相同激光条件和 50 μm 粉末单层的模拟。模拟显示了“大坑”和“山”缺陷，与 c 中显示的实验形态非常相似，使用相同的粉末尺寸和厚度。显然，使用较大的粉末不会导致平坦的层形态。如果考虑到热扩散到层中，则不良形态可直接归因于时间不足以使粉末颗粒熔化。熔化时间可以估计为 a2/D，其中 a 是熔化深度。对于 a = 10 μm，熔化时间比脉冲持续时间（1 μs 级）长一个数量级以上。这解释了为什么在模拟和实验中，小直径的粉末可以充分熔化成光滑的层，而 50 μm 的粉末则不能。

图 6. 模拟（a）使用直径为 50 μm 的单层粉末，（b）激光曝光后和（c）实验结果的光学图像（以与模拟相同的比例显示，即相同的比例尺）使用50 µm 厚的一层中含有 54 µm 的粉末。
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为了确认模拟的预测是正确的，对粉末厚度减小的单层进行了拍摄，并使用一系列层厚打印了单柱。图 7a-c 显示了单个 30 μm 厚粉末层（27 μm 直径）的高速成像，底层相对平坦且无特征，粉末层光滑。层厚度应类似于模拟中使用的单层，但由于粒度分布而存在一些较小的颗粒。正如模拟所预测的那样，所得层（图 7b）显示出比使用 40 μm 厚层时更好的平滑度。

在图 7c 中尝试通过跟踪图像运动来确认该层的缺陷减少，该运动被发现类似于受照射的液体运动面积，因为在熔化过程中基本上不存在其他粉末运动。该图像是通过获取高速视频中相邻帧之间的差异并将所有这些差异图像相加为一张图像来构建的。由于每个差异图像跟踪表面的局部运动，总和图像跟踪熔化和聚结后表面的总运动。当液态熔融粉末颗粒聚结并且液体流入更平坦的层时，可以通过对帧之间的差异求和来跟踪运动。

亮强度表示明显的液体运动，暗强度表示表面没有运动。该图像给出了液体存在位置的定性意义。没有运动（黑暗）的位置可能保持固体（因为液体会趋于芯吸）并且更有可能形成山丘或凹坑特征。可以看出它在整个“补丁”中相对平滑，表明流体运动分布良好，并且可能形成的缺陷很少。

图 7. 使用 27 µm 直径粉末、30 µm 层厚的单层打印（4600 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脉冲长度 Seurat 专有））。(a) 散布的粉末层光滑，没有大的缺陷，导致 (b) 光滑的打印层（暗区）。(c) 整个贴片的液体运动相对均匀。显示了使用三个独立层厚度 (d) 的构建，突出显示了使用较厚粉末层时产生的缺陷。使用 20 μm 厚的层，达到的密度为 99.5%。熔体工艺的进一步优化 (e) 随后能够始终如一地实现超过 99.8% 的密度。
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在图 7d 中，显示了在保持激光参数不变的情况下在整个高度使用不同层厚度构建的支柱。40 μm 的层厚导致大量孔隙，实现ng 理论密度的 96.5%。将层厚减少到 30 µm，密度增加到 99.0%。使用 20 μm 层发现最佳密度，通过光学截面测量达到理论密度的 99.5%。虽然零件太小，无法通过阿基米德方法进行可靠测量，但在高密度下，光学显微镜的结果通常非常接近阿基米德方法。熔体工艺的进一步优化（4800 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脉冲长度- Seurat提供 ）随后能够始终如一地实现超过 99.8% 的密度。图 7e 显示了在垂直堆叠的整个构建过程中密度始终 > 99.8% 的大规模样本。

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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。

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？3D科学谷结合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。

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

简单的思路开辟新探索空间

金属增材制造 (AM) 在增强众多行业的产品附加值制造能力方面具有巨大潜力，增材制造可以生产用减材技术无法在零件中制造的几何形状，并且可以减少制造过程中产生的废料量，从而降低成本。尽管如此，由于目前工艺速度的限制，金属增材制造在大批量制造中尚未获得显着的市场份额，这极大地影响了可实现的每件生产价格。

制造零件的速度受限于材料熔化和固化到下层零件中的速度。在典型的激光粉末床熔化 (LPBF) 工艺中，零件以激光扫描的串行方式构建，通过激光扫描以创建一条固化材料的线，并重复多条线以创建一个层。金属的生产速度受到材料熔化和熔合到底层基材的速度的限制，虽然多个热 [激光] 源和更多的激光功率可以提高构建速度，但会增加额外的控制挑战。此外，保持多个激光器对齐并同等利用并非易事。

另一种金属 AM 增材制造工艺是电子束熔化 (EBM)，以足够的速度对电子束进行光栅化，以模拟大面积热源。然而，EBM 需要在真空中操作，并且需要预烧结相对较粗的粉末。与激光加工相比，这些因素导致更粗糙的表面和更大的最小特征尺寸。

修拉所使用的LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化技术的原理主要基于一个简练的思路：如果金属粉末的熔化与凝固从串行过程演变为并行过程，则粉末床增材制造的构建速度可能会显着加快。

在这项工作中，通过高速成像和高保真物理模拟研究了 316L 不锈钢中大面积脉冲激光粉末床熔化 (LAPBF) 的物理特性。不过快速与精确通常是相互矛盾的，大面积激光脉冲可以快速熔化金属粉末，但是快速熔化带来的熔化的颗粒快速聚结成更大的液滴。

那么如何取得这其中的平衡呢？“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”论文研究中使用的激光和金属粉末参数，大于 40 µm 的层厚度会导致添加材料在基材表面上的分布不均匀，从而增加多层打印中的孔隙率。通过模拟表明，可以通过覆盖在下方基材上的覆盖粉末颗粒并阻止过多的激光能量沉积到基材中来产生凹坑特征（凹坑特征可能导致孔隙）。

模拟表明，对于这些激光和粉末参数，使用较薄的粉末层将减少阴影并允许激光脉冲有效地加热基板，从而减少缺陷的形成。实施此更改最终在模拟中证明了获得 > 99.5% 密度的零件，在 316L 不锈钢打印中则是通过实验证明了获得 > 99.8% 密度的零件。

此外，在 LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化过程中观察到的飞溅非常少，这是激光粉末床熔化扩展到更大批量零件生产的已知障碍。这表明 LAPBF-大面积脉冲激光粉末床熔化可能能够生产高质量的材料，适用于关键应用，并可扩展到大批量生产。

脉冲激光粉床缺陷模拟实验

 1 简介

LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺于 2013 年在劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次发明。该技术的基本原理基于传统的 LPBF，将一层粉末散布在构建板上，然后使用高功率激光熔化。

此过程的一个同样重要的区别是，使用光学寻址光阀 (OALV) 以高分辨率对激光器进行图案化。OALV 能够仅逐层熔化所需区域以制造三维部件，而激光提供熔化能量以熔化金属粉末。这种方法不同于其他商业上可用的选项，并且具有重要的商业利益，因为它提供了在不损失打印部件分辨率的情况下扩展到高构建率的潜力。例如，当前的小型演示区打印系统能够在 40 Hz 下熔化 5 × 5 mm 方形瓷砖，层厚为 25 µm，总构建速率为 90 cm3/h。如果与类似于 EOS M290 的行业标准机器进行比较，后者在相当的层厚度 (20 µm) 下以 7.2 cm3/h 的速率生产 316L。

尽管取得了这些进步，但LABPF-大面积脉冲激光粉末床熔化工艺仍面临许多挑战。最重要的是，优化工艺参数以实现全密度的高质量零件在任何 AM-增材制造工艺中都是至关重要的。

由于 LAPBF 打印方法相对较新，因此对同时熔化大面积粉末的物理原理知之甚少。LLNL通过使用高保真模拟和高速成像来详细了解该过程、如何减轻缺陷。

首先，需要理解的是 LAPBF与LPBF 的相似之处和区别之处。在LPBF 激光粉末床熔化过程中，激光与粉末、基材和蒸汽的相互作用很重要。激光吸收率会随着粉末特性以及键孔的出现而改变。钥匙孔以及夹带的颗粒和喷出的液体可能会产生缺陷。LPBF 过程可能具有一些与 LAPBF 相似的物理效应，但并不导致熔融颗粒彼此之间的大规模集体相互作用，这是两个过程的区别。

那么，研究人员必须要搞清楚在此过程中哪些影响是重要的，与传统 LPBF 相比这些影响是如何发生变化的，哪些影响是有害的，以及如何避免这些影响。

 2 方法

研究人员在先前的工作的基础上，并使用了类似的实验装置，通过OALV 创建了一种称为“瓷砖”的极化切换图案，然后将其投射到粉末床上（根据3D科学谷的了解，这与印象画派（点彩派）修拉Seurat的作画方式极为“神似”）。

在实验中，研究人员使用单个 Nd:YAG (1064 nm) 脉冲对金属粉末进行最终熔化以创建每个打印的“瓷砖”。虽然实验装置能够改变照明区域的形状以通过 OALV 实现任意几何形状，但在这项工作中，为了简单起见，使用了均匀强度 (2 mm × 2 mm) 的方形区域（方形瓷砖）。使用了两种不同尺寸分布的不锈钢 316L 粉末，15–32 µm (27 µm) 和 45–63 µm (54 µm) 切割，这里分别称为 27 µm 和 54 µm 粉末，指的是尺寸分布。

图 1. LAPBF 系统图© ScienceDirect

鉴于 LAPBF 过程是热驱动的，模型必须满足的一个要求是正确考虑能量平衡以及与液体熔池的耦合。这是通过使用全激光光线追踪来实现的。如果没有此功能，则需要通过指定恒定的材料吸收率来校准沉积的激光能量。使用当前的模拟模型研究表明，吸收率随熔池深度、激光功率和扫描速度而变化，即沉积的能量密度是这些工艺参数的函数。

在模拟稳定的熔池状态时，恒定的吸收率可能是一个可接受的假设，但不适用于瞬态效应。

在低功率下，吸收率高于裸表面，因为激光射线在粉末颗粒之间进行多次反射，因此激光能量更好地与系统耦合。在接近小孔状态的更高功率下，粉末变得不那么重要，因为吸收率变得非常接近没有粉末的系统。换句话说，激光射线主要与流体表面相互作用。不需要对导致气体流动的金属蒸发进行建模以捕获激光-材料能量耦合。

然而，蒸汽反冲压力的影响被认为是使液体表面变形并影响熔池形态的边界条件。液体熔体流动也与表面张力驱动的 Marangoni 效应一起考虑，这将在模拟表面形态演变时讨论。

简而言之，LLNL的科学家通过模拟已经能够预测诸如熔池尺寸、小孔缺陷的产生和缓解、液体飞溅效应以及作为激光功率函数的激光吸收率等特征，而无需针对每个实验校准模型/模拟展示了灵活性。在这里，科学家利用此代码的多功能性来预测最佳工艺参数，以实现接近全密度的打印。

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本轮融资由风险投资公司True Ventures领投，跟投包括GM Ventures，保时捷SE，Maniv Mobility和next47（一家为西门子电力和天然气公司工作的风险投资公司）。Seurat除了去年6月通过种子融资获得的341万美元之外，再次筹集了1350万美元。

从左至右：副总裁Kourosh Kamshad ，首席技术官James DeMuth，首席执行官Erik Toomre

在3D打印和制造行业内，Seurat Technologies凭借其目前正在开发的革命性金属3D打印技术，已经引起了一些轰动。该技术最初是由劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一个团队开发的，该团队包括Seurat现任首席技术官James DeMuth。 DeMuth在一份声明中表示：“如果没有LLNL的尖端激光和光学工程工作，我们创造这项新技术的能力是不可能实现的。

该公司已经提交了20多项专利，并暗示它可能会成为这个行业的颠覆者。

图：专利的图6显示了一个光回收系统。 来源：Seurat Technologies公司

该公司在2016年提交的一项专利详细介绍了一种由“粉末床成像的二维能量图案化系统”组成的3D打印过程。这表明，Seurat正在探索一种金属3D打印工艺，该工艺采用“二维图案化的能量束“来熔融金属粉末，这也能够将激光器的能量重新用于更有效的系统。

Seurat还提出了一种“机械手”，通过在打印过程中对零件进行加工操作和重新定位，可以改进增材制造工艺。与通常的粉末床熔融加工方式不同的是，Seurat将通过移动式构建平台的方式，像传送带一样来分区加工从而制造更长的零部件。

图12B展示了3D打印机的不同区域内的长部件的制造。 图片来自Seurat Technologies Inc.

最新一轮的融资将有助于这家硅谷公司推进其增材制造技术的发展，并准备产品早日上市。Seurat Technologies首席执行官Erik Toomre评论道：“在过去几个月中，我们已经能够取得一些重大的里程碑。 这些资金将为我们提供所需的燃料，以迅速加速我们实现这一突破的商业化能力，最初我们的重点将放在汽车，能源和航空航天领域。“

True Ventures风险投资合伙人Rohit Sharma补充说：“目前的金属增材制造业需要数十年的技术积累“我们相信，Seurat团队已经准备好从快速成型、定制打印到工业级规模的金属打印。”

来源：南极熊

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