根據(jù)3D科學(xué)谷此前的分享，2021年7月，LLNL美國國家實驗室孵化的企業(yè)Seurat Technologies （修拉技術(shù)）完成了 4100 萬美元的 B 輪融資，由 Capricorn 基金領(lǐng)投。加上此前的1350萬的A輪融資，修拉技術(shù)共融資5450萬美金（約合人民幣3.4億）。
根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，Seurat通過進(jìn)一步降低制造成本來打入更大的市場。使用Seurat第一代機(jī)器，可實現(xiàn)約 300 美元/公斤的制造成本，這可能使市場規(guī)模增加一倍。預(yù)計Seurat 2024 年推出的第二代系統(tǒng)以及 2027 年和 2030 年的后續(xù)系統(tǒng)將真正改變游戲規(guī)則。Seurat的GenX 將制造成本降低至 25 美元/公斤以下，從而開啟更大的金屬制造市場。
公司的名稱借鑒于印象畫派（點彩派）的創(chuàng)始人修拉Georges Seurat，修拉背后的技術(shù)是如何與點彩派的畫法發(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”論文分期來深度洞悉這項技術(shù)的原理。
簡單的思路開辟新探索空間
金屬增材制造 (AM) 在增強(qiáng)眾多行業(yè)的產(chǎn)品附加值制造能力方面具有巨大潛力，增材制造可以生產(chǎn)用減材技術(shù)無法在零件中制造的幾何形狀，并且可以減少制造過程中產(chǎn)生的廢料量，從而降低成本。盡管如此，由于目前工藝速度的限制，金屬增材制造在大批量制造中尚未獲得顯著的市場份額，這極大地影響了可實現(xiàn)的每件生產(chǎn)價格。
制造零件的速度受限于材料熔化和固化到下層零件中的速度。在典型的激光粉末床熔化 (LPBF) 工藝中，零件以激光掃描的串行方式構(gòu)建，通過激光掃描以創(chuàng)建一條固化材料的線，并重復(fù)多條線以創(chuàng)建一個層。金屬的生產(chǎn)速度受到材料熔化和熔合到底層基材的速度的限制，雖然多個熱 [激光] 源和更多的激光功率可以提高構(gòu)建速度，但會增加額外的控制挑戰(zhàn)。此外，保持多個激光器對齊并同等利用并非易事。
另一種金屬 AM 增材制造工藝是電子束熔化 (EBM)，以足夠的速度對電子束進(jìn)行光柵化，以模擬大面積熱源。然而，EBM 需要在真空中操作，并且需要預(yù)燒結(jié)相對較粗的粉末。與激光加工相比，這些因素導(dǎo)致更粗糙的表面和更大的最小特征尺寸。
修拉所使用的LABPF-大面積脈沖激光粉末床熔化技術(shù)的原理主要基于一個簡練的思路：如果金屬粉末的熔化與凝固從串行過程演變?yōu)椴⑿羞^程，則粉末床增材制造的構(gòu)建速度可能會顯著加快。
在這項工作中，通過高速成像和高保真物理模擬研究了 316L 不銹鋼中大面積脈沖激光粉末床熔化 (LAPBF) 的物理特性。不過快速與精確通常是相互矛盾的，大面積激光脈沖可以快速熔化金屬粉末，但是快速熔化帶來的熔化的顆粒快速聚結(jié)成更大的液滴。
那么如何取得這其中的平衡呢？“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”論文研究中使用的激光和金屬粉末參數(shù)，大于 40 μm 的層厚度會導(dǎo)致添加材料在基材表面上的分布不均勻，從而增加多層打印中的孔隙率。通過模擬表明，可以通過覆蓋在下方基材上的覆蓋粉末顆粒并阻止過多的激光能量沉積到基材中來產(chǎn)生凹坑特征（凹坑特征可能導(dǎo)致孔隙）。
模擬表明，對于這些激光和粉末參數(shù)，使用較薄的粉末層將減少陰影并允許激光脈沖有效地加熱基板，從而減少缺陷的形成。實施此更改最終在模擬中證明了獲得 > 99.5% 密度的零件，在 316L 不銹鋼打印中則是通過實驗證明了獲得 > 99.8% 密度的零件。
此外，在 LABPF-大面積脈沖激光粉末床熔化過程中觀察到的飛濺非常少，這是激光粉末床熔化擴(kuò)展到更大批量零件生產(chǎn)的已知障礙。這表明 LAPBF-大面積脈沖激光粉末床熔化可能能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的材料，適用于關(guān)鍵應(yīng)用，并可擴(kuò)展到大批量生產(chǎn)。
脈沖激光粉床缺陷模擬實驗

/ 1 簡介
LABPF-大面積脈沖激光粉末床熔化工藝于 2013 年在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首次發(fā)明。該技術(shù)的基本原理基于傳統(tǒng)的 LPBF，將一層粉末散布在構(gòu)建板上，然后使用高功率激光熔化。
此過程的一個同樣重要的區(qū)別是，使用光學(xué)尋址光閥 (OALV) 以高分辨率對激光器進(jìn)行圖案化。OALV 能夠僅逐層熔化所需區(qū)域以制造三維部件，而激光提供熔化能量以熔化金屬粉末。這種方法不同于其他商業(yè)上可用的選項，并且具有重要的商業(yè)利益，因為它提供了在不損失打印部件分辨率的情況下擴(kuò)展到高構(gòu)建率的潛力。例如，當(dāng)前的小型演示區(qū)打印系統(tǒng)能夠在 40 Hz 下熔化 5 × 5 mm 方形瓷磚，層厚為 25 μm，總構(gòu)建速率為 90 cm3/h。如果與類似于 EOS M290 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器進(jìn)行比較，后者在相當(dāng)?shù)膶雍穸?(20 μm) 下以 7.2 cm3/h 的速率生產(chǎn) 316L。

盡管取得了這些進(jìn)步，但LABPF-大面積脈沖激光粉末床熔化工藝仍面臨許多挑戰(zhàn)。最重要的是，優(yōu)化工藝參數(shù)以實現(xiàn)全密度的高質(zhì)量零件在任何 AM-增材制造工藝中都是至關(guān)重要的。
由于 LAPBF 打印方法相對較新，因此對同時熔化大面積粉末的物理原理知之甚少。LLNL通過使用高保真模擬和高速成像來詳細(xì)了解該過程、如何減輕缺陷。
首先，需要理解的是 LAPBF與LPBF 的相似之處和區(qū)別之處。在LPBF 激光粉末床熔化過程中，激光與粉末、基材和蒸汽的相互作用很重要。激光吸收率會隨著粉末特性以及鍵孔的出現(xiàn)而改變。鑰匙孔以及夾帶的顆粒和噴出的液體可能會產(chǎn)生缺陷。LPBF 過程可能具有一些與 LAPBF 相似的物理效應(yīng)，但并不導(dǎo)致熔融顆粒彼此之間的大規(guī)模集體相互作用，這是兩個過程的區(qū)別。
那么，研究人員必須要搞清楚在此過程中哪些影響是重要的，與傳統(tǒng) LPBF 相比這些影響是如何發(fā)生變化的，哪些影響是有害的，以及如何避免這些影響。
/ 2 方法
研究人員在先前的工作的基礎(chǔ)上，并使用了類似的實驗裝置，通過OALV 創(chuàng)建了一種稱為“瓷磚”的極化切換圖案，然后將其投射到粉末床上（根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，這與印象畫派（點彩派）修拉Seurat的作畫方式極為“神似”）。
在實驗中，研究人員使用單個 Nd:YAG (1064 nm) 脈沖對金屬粉末進(jìn)行最終熔化以創(chuàng)建每個打印的“瓷磚”。雖然實驗裝置能夠改變照明區(qū)域的形狀以通過 OALV 實現(xiàn)任意幾何形狀，但在這項工作中，為了簡單起見，使用了均勻強(qiáng)度 (2 mm × 2 mm) 的方形區(qū)域（方形瓷磚）。使用了兩種不同尺寸分布的不銹鋼 316L 粉末，15–32 μm (27 μm) 和 45–63 μm (54 μm) 切割，這里分別稱為 27 μm 和 54 μm 粉末，指的是尺寸分布。

▲ 圖 1. LAPBF 系統(tǒng)圖
? ScienceDirect
鑒于 LAPBF 過程是熱驅(qū)動的，模型必須滿足的一個要求是正確考慮能量平衡以及與液體熔池的耦合。這是通過使用全激光光線追蹤來實現(xiàn)的。如果沒有此功能，則需要通過指定恒定的材料吸收率來校準(zhǔn)沉積的激光能量。使用當(dāng)前的模擬模型研究表明，吸收率隨熔池深度、激光功率和掃描速度而變化，即沉積的能量密度是這些工藝參數(shù)的函數(shù)。
在模擬穩(wěn)定的熔池狀態(tài)時，恒定的吸收率可能是一個可接受的假設(shè)，但不適用于瞬態(tài)效應(yīng)。
在低功率下，吸收率高于裸表面，因為激光射線在粉末顆粒之間進(jìn)行多次反射，因此激光能量更好地與系統(tǒng)耦合。在接近小孔狀態(tài)的更高功率下，粉末變得不那么重要，因為吸收率變得非常接近沒有粉末的系統(tǒng)。換句話說，激光射線主要與流體表面相互作用。不需要對導(dǎo)致氣體流動的金屬蒸發(fā)進(jìn)行建模以捕獲激光-材料能量耦合。
然而，蒸汽反沖壓力的影響被認(rèn)為是使液體表面變形并影響熔池形態(tài)的邊界條件。液體熔體流動也與表面張力驅(qū)動的 Marangoni 效應(yīng)一起考慮，這將在模擬表面形態(tài)演變時討論。
簡而言之，LLNL的科學(xué)家通過模擬已經(jīng)能夠預(yù)測諸如熔池尺寸、小孔缺陷的產(chǎn)生和緩解、液體飛濺效應(yīng)以及作為激光功率函數(shù)的激光吸收率等特征，而無需針對每個實驗校準(zhǔn)模型/模擬展示了靈活性。在這里，科學(xué)家利用此代碼的多功能性來預(yù)測最佳工藝參數(shù)，以實現(xiàn)接近全密度的打印。