雖然基于激光的 3D 打印技術通過極大地擴展設計復雜性，徹底改變了金屬零件的生產，但傳統上用于金屬打印的激光束具有可能導致缺陷和較差機械性能的缺點。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員正在通過探索高斯光束的替代形狀來解決這個問題，該光束通常用于高功率激光打印工藝，如激光粉末床融合 (LBPF)。在Science Advances發表的一篇論文中，研究人員試驗了被稱為貝塞爾光束的奇異光束形狀——讓人聯想到靶心圖案——它具有許多獨特的特性，如自愈和非衍射。他們發現這些類型的光束的應用降低了孔隙形成和“鎖孔”的可能性，LPBF 中的孔隙率誘導現象因使用高斯光束而加劇。這項工作出現在該雜志 9 月 17 日的封面上。
LLNL 研究人員表示，這項工作表明，貝塞爾光束等替代形狀可以緩解 LBPF 技術中的主要問題——在激光與金屬粉末相遇處發生的大熱梯度和復雜的熔池不穩定性。這些問題主要是由大多數現成的高功率激光系統通常輸出的高斯光束形狀引起的。
“使用高斯光束很像使用火焰噴射器來烹飪食物;你無法控制熱量如何沉積在材料周圍，”主要作者和 LLNL 研究科學家 Thej Tumkur Umanath 說。“對于貝塞爾光束，我們將部分能量從中心重新分配，這意味著我們可以設計熱剖面并降低熱梯度，以幫助微結構晶粒細化，并最終產生更致密的部件和更光滑的表面。”
Tumkur，他還在 LLNL 的 2019 年博士后研究大滿貫中獲得了第一名!競爭這項工作，說貝塞爾光束比傳統的高斯光束形狀顯著擴展了激光掃描參數空間。結果是理想的熔池不會太淺，也不會出現鎖孔現象——正如 LLNL 研究人員先前發現的那樣，激光在構建過程中會產生強烈的蒸汽并在金屬基板上產生深腔。鎖孔會在熔池中產生氣泡，形成氣孔并導致成品部件的機械性能下降。
傳統光束的另一個缺點是它們在傳播時容易發生衍射(擴散)。貝塞爾光束由于其非衍射特性而提供更大的焦深。因此，作者觀察到使用貝塞爾光束相對于激光焦點放置工件的公差增加。放置對于工業系統來說是一個挑戰，這些系統通常依賴昂貴且敏感的技術來在每次沉積一層金屬粉末時將正在進行的構建定位在聚焦光束的焦深內。
“貝塞爾光束因其非衍射和自愈特性而廣泛用于成像、顯微鏡和其他光學應用，但光束形狀工程方法在基于激光的制造應用中并不常見，”Tumkur 解釋說。“我們的工作通過結合設計師光束形狀來實現對熔池動力學的控制，解決了金屬增材制造社區中光學物理和材料工程之間看似脫節的問題。”
LLNL 團隊通過將激光穿過兩個錐形透鏡以產生甜甜圈形狀來對光束進行整形，然后將其通過額外的光學器件和掃描儀以在中心光束周圍形成“環”。研究人員安裝在 LLNL 先進制造實驗室的商用印刷機中，使用該實驗裝置從不銹鋼粉末打印立方體和其他形狀。
通過高速成像，研究人員研究了熔池的動力學，觀察到熔池湍流的顯著減少和“飛濺”的減輕——在構建過程中從激光路徑飛出的金屬熔融顆粒——這通常會導致孔隙形成。
在機械研究和模擬中，該團隊發現用貝塞爾梁建造的零件比用傳統高斯梁建造的結構更致密、更堅固并且具有更強大的拉伸性能。
在成為 LLNL 材料科學部門負責人之前，該項目的首席研究員 Ibo Matthews 說：“長期以來，業界一直在尋求提高對 LPBF 過程控制的能力，以最大限度地減少缺陷。” “在激光束中引入復雜的結構增加了靈活性，以精確控制激光與材料的相互作用、熱沉積以及最終的打印質量。”
LLNL 計算機科學家 Saad Khairallah 使用 LLNL 開發的多物理場代碼 ALE3D 來模擬高斯和貝塞爾光束激光形狀與金屬粉末材料單軌的相互作用。通過比較產生的軌跡，該團隊發現貝塞爾光束比高斯光束表現出更好的熱梯度，促進了更好的微觀結構形成。他們還使用貝塞爾光束實現了更好的能量分布，避免了高斯光束中的“熱點”產生，后者會產生深熔池并形成孔隙。
Khairallah 說：“模擬可以讓你對正在發生的物理學進行詳細的診斷，從而讓你了解我們實驗結果背后的基本機制。”
只是 LLNL 正在研究的提高 3D 打印金屬零件質量的眾多途徑之一，光束整形是比替代掃描策略更便宜的選擇，因為它可以通過結合簡單的光學元件以很少的成本完成，并且可以減少相關的費用和時間Tumkur 說，在用高斯光束構建的零件通常需要的后處理技術中。
“非常需要生產堅固且無缺陷的部件，并能夠以具有成本效益的方式打印非常大的結構，”Tumkur 說。“為了使 3D 打印真正符合工業標準并超越傳統制造方法，我們需要解決在非常短的時間范圍和微觀結構尺度上發生的一些基本問題。我認為光束整形確實是一條可行的道路，因為它可以應用無處不在地印刷各種金屬并被納入商業印刷系統，而不會像其他替代技術那樣構成重大的可集成性挑戰。”
