虽然金属LPBF粉末床激光熔融3D打印技术在各种应用中具有很大的潜力，但这个过程缺乏对产品一致性的控制，成为进入到生产领域的一大限制因素。
为了推动金属LPBF粉末床激光熔融3D打印技术从快速原型设计思维到快速制造，重要的是要深入了解影响加工工艺的因素，从而提高增材制造过程控制。为此，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）正在努力开发一种新的基于算法科学的增材制造设计策略，该策略可以通过使用定制和模拟驱动的光源来控制传导热。科研人员将研究结果发表成论文 “Spatial modulation of laser sources for microstructural control of additively manufactured metals”（“通过空间调制激光源用于控制金属微观结构”），其中他们展示了在LPBF 3D打印过程中如何控制光束椭圆度用于微结构控制。
光束椭圆度与微观结构
从生物打印血管，使用3D打印控制反应材料到3D打印纳米多孔金以及研究金属3D打印缺陷，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家因其令人印象深刻的3D打印材料工作而闻名。
最常用于金属3D打印的合金，如316L不锈钢，钛合金如Ti-6Al-4V，Inconel 718/625高温合金，以及铝合金如Al-Cu-Mg-Sc-Si，这些材料基本上是为传统的生产流程开发的，并不是专门为增材制造加工工艺开发的。不适合的材料原料，以及缺乏对微观结构形成产生影响的局部热传导活动的控制，来自过程监测的数据有限而导致对过程的预测能力不足。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究结果表明，光束调制提供了位点特定的微观结构控制，这些结果可以通过熔池动力学和热分布的有限元建模来解释。该团队使用的是简单的光束整形光学元件，理论上在商业化层面上可以实现。
因此，通过利用这种光学系统设计热梯度，可以通过在构建过程中调制光束形状来控制特定位置的等轴或柱状晶粒，研究人员在Concept Laser的设备上进行了对316L不锈钢粉末的加工。在单轨激光熔化实验期间使用316L不锈钢基板。在他们的LPBF测试平台中，该团队通过50毫米FL透镜来控制600 W光纤激光器的光束。
利用LLNL的ALE3D数值模拟软件工具，研究人员模拟了实际的粒度分布和随机粒子堆积，然后通过使用激光射线追踪算法模拟激光与实际粉末床的相互作用。通过混合有限元法解决了三维模型在非结构化网格上的元素和有限体积公式。为了节省计算时间，扫描速度设定为1800mm / s，能量密度为61J / mm 3。
使用LLNL的ALE3D代码模拟激光模型相互作用，可以研究光束形状对轨道宏观和微观结构的影响。研究人员确定“较低的激光功率下凝固对等轴晶的形成是有利的”，与光束椭圆度无关。当功率和扫描速度上升时，柱状晶粒的浓度通常增加，这时候可以通过改变光束椭圆率来实现特定位置的微观结构控制。此外，使用交替光束形状的完整构建甚至可以实现更复杂的微结构。
研究人员还研究了高斯和椭圆激光强度分布对单轨微观结构的影响。当激光加热发生热传导模式时，椭圆形强度的光斑比圆形轮廓的光斑在大得多的参数空间上产生等轴或混合等轴柱状晶粒。这表明晶粒形态可以通过改变光束强度和空间轮廓来定制，同时保持恒定的激光功率和扫描速度。
3D科学谷Review
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）在2017年就创造了三倍的强度的超强耐腐蚀不锈钢316L，LLNL联合乔治亚理工大学和美国俄勒冈州立大学的阿姆斯国家实验室的科学家们通过改变加工参数和过程控制来提高零件的力学性能。通过控制激光能量以及采取快速冷却的过程，科研人员获得了更加致密的零件加工结果。
根据3D科学谷的市场观察，这是一种常见的“海洋级” 不锈钢，具有低碳组成。在石油管道、发动机零件和厨房设备等场合被广泛使用，通常具有低腐蚀性和高延展性。测试表明坚固耐磨的3D打印316L不锈钢可以提供比其他形式的钢更高水平的强度和延展性，使其有助于化学设备、医疗植入物、发动机零件以及需要其设备优异物理性能的各种其他应用。
研究人员不仅仅将这种过程控制工艺应用到不锈钢的加工中，还扩展到其他金属材料的加工中。3D科学谷了解到他们可以使得3D打印机在不同的尺度上构建小型的墙壁单元结构，这些结构可以防止裂缝和其他常见问题的发生。这种高强度不锈钢的获得可以使得3D打印技术不仅可用于航空航天行业制造飞机燃料箱，还可以用于核电厂用来制造高强度压力管。
关于单晶合金，除了激光粉末床熔融3D打印技术，在电子束粉末床熔融3D打印方面，根据3D科学谷的市场研究，通过电子束3D打印来制备CMSX_4材料也获得一系列的进展。高冷却速度为合金设计开辟了新的可能性。通过选择性电子束熔化金属3D打印技术可以实现CMSX-4®的无裂缝加工。通过采用合适的加工策略，可以直接从粉末床中获得单晶结构。而实验证明，通过金属3D打印实现凝固微观结构和相关的偏析结构可以带来非常精细的结果，与铸造微观结构相比要小100倍。因此，均质化热处理时间也显著的从几小时减少到几分钟。
此外，除了通过对加工策略的调整以及对冷却速率的控制，美国HRL 实验室在2017年还提出了引入纳米颗粒来提升合金材料性能的研究。影响合金材料在增材制造工艺中使用的原因是，打印过程中材料的熔融和凝固产生了具有大柱晶粒和周期性裂纹的微观结构。HRL 实验室表示，可以通过在增材制造材料中引入纳米颗粒成核剂的方式来解决这一问题。
而在颗粒增强合金性能方面的研究，根据3D科学谷的市场观察，思莱姆智能科技还开发了纳米CrC颗粒混杂增强镍基高温合金的复合材料，由于凝固速度很快，晶粒来不及长大，仍然保持有纳米颗粒的特性，所制造的零件组织细小致密，且力学性能优异。采用的是选择性激光融化技术3D打印技术，克服了传统制备方法的局限, 改善了颗粒团聚和界面结合问题，并且可以加工成复杂零件的形状，而无需工装夹具或模具的支持，同时在这个过程中, 材料利用率高。
总之，通过粉末床熔融技术来开发高性能材料的方法多种多样，根据3D科学谷的市场观察，目前使用的方法主要包括对加工工艺的控制、激光光束的控制、冷却速度的控制以及使用颗粒增强的方法。
参考文章：LLNL-precision measurement of stopping power.pdf
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