全文4500字，阅读需8分钟。本文分享环形光对于高斯光在金属3D打印中带来的缺陷全方位抑制机理。
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AM易道导语：
之前AM易道发布过关于光束整形的文章获得了读者关注。
今天带来的研究成果是深入光束整形的机理内核，揭示环形光如何抑制高斯光带来的各种缺陷。
粉末床高斯光Keyhole Pore产生：
粉末床环形光Keyhole Pore抑制：
近日，威斯康星大学麦迪逊分校Lianyi Chen教授团队在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上发表了一项重要研究成果（https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232）：
首次通过同步辐射X射线成像技术，揭示了环形光束在金属激光选区熔化（LPBF）过程中抑制多种缺陷的作用机理。
AM易道认为，这项研究对于推动整形后光源金属3D打印工业化应用具有重要意义。
通过直接观察到光束整形技术作用于金属熔池的动态过程，研究团队不仅证实了环形光束在抑制孔洞、减少飞溅、稳定熔池等方面的显著效果，更重要的是阐明了其背后的物理机理，这为未来光束整形技术的优化设计提供了理论指导。
金属3D打印的"心病"：工艺不稳定带来的质量隐患
金属激光选区熔化（LPBF）技术作为当前最广泛使用的金属增材制造方法，其工艺稳定性一直是制约其在高端制造领域大规模应用的关键瓶颈。
在传统的高斯光束LPBF过程中，激光与金属粉末的相互作用会产生复杂的物理现象，导致多种缺陷的产生。
研究表明，当高斯光束照射到金属表面时，其能量在中心区域高度集中，会在熔池底部形成一个深而窄的匙孔。
由于匙孔前壁倾角较大（约83°），入射光线会被直接反射到孔底部，在那里形成不稳定的蒸汽腔体。这种"J型"匙孔结构极易发生坍塌，进而形成孔洞缺陷。
同时，匙孔的不稳定性还会引起熔池剧烈波动，产生大量的液态飞溅，这些都严重影响了最终零件的质量。
破局之道：光束整形技术的兴起
为解决这些问题，近年来光束整形技术逐渐成为研究热点。其中，环形光束（多种叫法：比如可称甜甜圈光束）因其独特的能量分布特点，在工业应用中展现出巨大潜力。
然而，由于缺乏有效的表征手段，环形光束作用于金属的动态过程一直难以被直接观察，这严重制约了对其作用机理的深入理解。
本次研究中，研究团队创新性地将可切换光束配置的激光器与同步辐射X射线成像系统相结合，首次实现了对环形光束LPBF过程的动态观察。
实验装置如上图所示，研究团队使用了nLight公司的AFX1000光纤激光器，该激光器可以产生不同形状的光束，包括功率比为90/10的环形光束和5/95的高斯光束。
在本研究中，团队主要比较了这两种光束配置：功率比为90/10的环形光束（编号6）和功率比为5/95的高斯光束（编号0）。
上图左侧的光束能量分布图可以清晰地看到，环形光束在外环区域的能量密度明显高于中心区域，而高斯光束则呈现出典型的中心能量集中分布。
通过光束分析仪的测量显示，环形光束和高斯光束的光斑尺寸分别为175μm和160μm。
激光器最大输出功率可达1000W，工作波长为1070nm，最特别的是它能够产生7种不同的光束形状。
创新实验方案和参数：同步辐射X射线“监控”环形光束
为了深入观察环形光束在LPBF过程中的作用机理，研究团队在美国阿贡国家实验室先进光子源（Advanced Photon Source）的32-ID-B光束线上搭建了独特的实验平台。
X射线成像系统采用了波荡器产生的准粉红光束，谐波能量约为24keV。系统的空间分辨率达到2μm/像素，可以以50kHz的帧率进行采样，曝光时间仅为1μs。
这些优异的性能参数使得研究团队能够捕捉到激光熔化过程中的瞬态现象。所有实验都在充满氩气（1个大气压）的定制实验箱中进行，以防止材料氧化。
实验分别在Ti-6Al-4V合金的裸基板和粉末床上进行单道扫描试验。
其中，基板尺寸为50mm×3.0mm×0.55mm，粉末层厚控制在100±10μm。
为了全面评估环形光束的性能，团队在不同的激光功率（400W-700W）和扫描速度（0.40m/s-0.60m/s）下进行了系统性研究。
环形光束带来的多重改善
通过高速X射线成像系统，研究团队首次直接观察到了环形光束在LPBF过程中的优异表现。
实验结果表明，环形光束能够有效抑制三类主要缺陷：孔洞、熔池波动和液态飞溅。
孔洞缺陷的显著抑制
在激光功率550W、扫描速度0.4m/s的条件下，高斯光束在裸基板上扫描时会产生频繁的孔洞缺陷。
如图(a-c)所示，每毫秒会形成11±4个孔洞，最大孔径可达112μm。相比之下，在相同工艺参数下使用环形光束时，如图(g-i)所示，未观察到任何孔洞的形成。
更令人惊喜的是，这种孔洞抑制效果在很宽的工艺窗口内都能保持。
即使在匙孔深度从158μm到536μm的范围内变化时，环形光束仍然能够有效避免孔洞的产生。这一现象的动态过程可以在如下视频中清晰地观察到。
裸基板高斯光Keyhole Pore产生：
裸基板环形光Keyhole Pore抑制：
在粉末床熔化实验中也观察到了类似的现象。
如上图所示，在相同的工艺参数下（550W，0.4m/s），高斯光束LPBF过程中每毫秒会产生6±3个最大直径为74μm的孔洞，而环形光束则完全抑制了孔洞的形成。文章一开头的两个视频详细记录了这一过程，读者可以回到文头再次观看。
熔池波动的有效抑制
通过定量分析高速X射线图像，研究团队发现环形光束能够显著降低熔池的波动。
如图(a)所示，在激光功率550W、扫描速度0.4m/s的条件下，高斯光束熔化过程中熔池表面会产生明显的周期性波动，最大波动幅度达到40μm。
而使用环形光束时，熔池表面波动的最大幅度仅为16μm，降低了60%。
这种改善效果在最终的熔道表面形貌上也得到了印证。如图(b)左侧所示，高斯光束形成的熔道表面呈现出明显的周期性波纹，且周围附着了大量的飞溅物。
相比之下，环形光束形成的熔道表面更加平整光滑，飞溅物的数量也大幅减少。
在粉末床熔化实验中，虽然由于粉末层的遮挡难以直接测量熔池波动，但从最终的熔道形貌分析中仍能看出差异。如图(b)右侧所示，环形光束形成的熔道在高度和宽度上都更加均匀，这间接反映出熔池在成形过程中保持了更好的稳定性。
液态飞溅的全方位控制
研究团队通过高速X射线成像系统，首次系统地观察了环形光束对不同类型液态飞溅的抑制效果。
如上图所示，在裸基板熔化实验中，高斯光束会导致频繁的液体断裂飞溅，每毫秒产生7±3个最大直径为92μm的液滴（Spatter）（图(a-i)）。
这些液滴往往是由于熔池的不稳定波动导致液体配体上升、收缩最后断裂形成的。
而在使用环形光束时，飞溅的发生频率降低到每毫秒1次左右，最大液滴尺寸也减小到40μm（图(j-l)）。
在粉末床熔化过程中，研究团队观察到了三种典型的液态飞溅形式：液体断裂飞溅、液体碰撞飞溅和液体团聚飞溅。
如上图所示，高斯光束LPBF过程中，这些飞溅以每毫秒9±3次的频率发生，最大液滴尺寸可达166μm，远大于原始粉末的尺寸（<45μm）。更重要的是，这些飞溅物会以较大的发散角度喷射（图(a-c)）。
相比之下，环形光束LPBF过程中的飞溅现象得到了显著抑制。不仅飞溅频率降低到每毫秒6±2次，最大液滴尺寸也减小到88μm，而且飞溅物主要集中在垂直于匙孔前壁上部的方向（图(g-l)）。
这种定向的飞溅行为更有利于后续的工艺控制。
深入机理：环形光束通过“三大法宝”实现缺陷抑制
为了揭示环形光束抑制缺陷的物理机理，研究团队结合多物理场数值模拟进行了深入分析。
这部分内容相对深入机理，AM易道仅做如下简要通俗总结，对机理有兴趣的读者可以自行访问DOI查阅。
基于高速X射线成像和数值模拟的观察，总结下来，研究团队揭示了环形光束抑制缺陷的"三大法宝"：
第一招：让匙孔更"聪明"
传统高斯光束就像一根"尖锐的针"，能量过于集中，在金属表面戳出一个又深又窄的洞（匙孔），激光容易反射到洞底部，形成不稳定的"气泡"。
而环形光束像个"甜甜圈"，在匙孔壁上巧妙地形成一个"小平台"，将激光反射到更安全的位置，避免了"气泡"的形成。
通过这种方式，环形光束让匙孔的稳定性提高了近一倍！（参见下图两张）
第二招：让熔池更"平静"
由于匙孔更稳定，熔池表面的"波浪"也随之减小。就像平静的湖面不会激起大浪，稳定的熔池也不容易产生剧烈波动。前文提到，环形光束将熔池表面波动降低了60%。
第三招：让飞溅更"规矩"
在高斯光束下，蒸汽流就像"失控的龙卷风"，朝各个方向喷射。
而环形光束则像装了"导向器"，不仅让蒸汽流方向更加集中，还在熔池前方形成"吸尘器"效应，将粉末有序地输送到熔化区域。
同时，环形光束前端的高能量还能更好地熔化粉末，防止形成团聚物。（参见下图两张）
AM易道认为，这些发现揭示了环形光束像一位经验丰富的厨师懂得如何控制火候，环形光束也展现出了更智能、更精准的能量控制能力。
厚粉层打印的创新尝试
基于上述机理认识，研究团队探索了环形光束在厚粉层打印中的应用潜力。
在200μm粉层厚度条件下进行了打印实验，这几乎是常规工艺的两倍。结果表明，使用高斯光束时，随着打印层数增加，样件表面越来越粗糙，波动越来越大，最终导致无法继续铺粉（如下图所示）。
μCT分析显示样件内部存在球形的匙孔气孔（下图a）。
相比之下，环形光束在相同激光功率（550W）和扫描速度（0.4m/s）下能够成功完成打印，虽然在样件内部仍存在一定的未熔合孔隙（上图b）。
力学性能测试显示，样件的屈服强度达到1066±15MPa，抗拉强度为1140±23MPa，延伸率为11%±2%。
通过降低扫描速度到0.3m/s，研究团队成功实现了近全致密样件的打印（上图c）。
优化后的工艺参数使得样件的力学性能进一步提升，屈服强度达到1072±13MPa，抗拉强度提高到1176±13MPa，延伸率增加到13%±2%（上图d）。
写在最后
AM易道认为，这项研究不仅从根本上揭示了环形光束抑制LPBF工艺缺陷的物理机理，也为未来光束整形技术的发展指明了方向。
特别是在高质量、高效率金属3D打印方面，环形光束展现出的优异性能为突破现有工艺局限提供了新的可能。
结合本研究的发现，我们可以预见，未来光束整形技术的发展可能会朝着以下方向发展：
开发更灵活的光束调控方案，实现对不同材料、不同工艺条件下熔池行为的精确控制；
探索厚粉层、高速扫描等高效率工艺方案，进一步提升LPBF技术的生产效率；
将光束整形与其他工艺优化手段相结合，开发更加稳健的金属3D打印解决方案。
放眼未来，这些进展将为金属3D打印技术在航空航天、医疗器械等高端制造领域的规模化应用奠定坚实基础。金属3D打印技术也将迎来新一轮的升级换代。
AM易道将持续关注。
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