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 Technologies 發(fā)明了一種新穎的區(qū)域打印方法，有可能突破當(dāng)今金屬增材制造的限制。這項新技術(shù)并沒有增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束操縱方法來增加每次熔化的體積。雖然通常的金屬 AM 系統(tǒng)的光斑直徑為 100 微米，但 Seurat 系統(tǒng)可將 200 萬個激光點傳送到粉末床區(qū)域中，每個光點的直徑約為 10 微米。使用這種方法，Seurat 可以同時大幅提高構(gòu)建速度，同時還可以提高分辨率。與其他單一激光系統(tǒng)相比，Seurat TechnologiesTM 將構(gòu)建速度提高了 1000 倍。

公司的名稱借鑒于印象畫派（點彩派）的創(chuàng)始人修拉Georges Seurat，Seurat Technologies-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”論文分三期來深度洞悉這項技術(shù)的原理，本期為第二部分。

脈沖激光粉床缺陷模擬實驗

/ 3 高速成像、模擬、挑戰(zhàn)與策略

3.1.高速成像

這里使用的區(qū)域熔化過程包括兩個步驟，(1) 預(yù)熱步驟，其中粉末被二極管激光器選擇性地照射，使粉末的溫度剛好低于熔點；(2) 熔化步驟，其中強烈的單一激光脈沖將預(yù)熱的粉末迅速熔化并固化成單層，并融合到基材表面（圖 1）。大約 4600 W/cm2 的激光能量密度提供了足夠的基板加熱，而不會過早熔化粉末并導(dǎo)致液體粉末顆粒聚結(jié)成更大的珠子。

為了能夠輕松比較各個實驗和模擬，并最大限度地減少不同激光條件的變化，在每個實驗和模擬中，脈沖激光使用相同的脈沖長度和能量。發(fā)現(xiàn)所使用的激光參數(shù)給出了最可重復(fù)的結(jié)果。在模擬和實驗中僅使用層厚度和粉末粒徑的變化來確定打印過程中的主要物理特性以及粉末特性對缺陷形成的相對影響。

尺寸范圍為 15-32 μm (27 μm) 和典型層厚為 40 μm 的不銹鋼 316L 粉末的熔化通過高速成像被捕獲，如圖 2 所示?？梢钥吹郊す狻按纱u”圖案的輪廓在圖 2a 和 b 中，隨著激光強度下降（0 μs 和 1 μs）。

可以看到粉末迅速熔化并繼續(xù)凝聚成更大的液滴，直到 40 μs，并最終形成一些較寬的液體區(qū)域，如 40 和 100 μs 之間的暗區(qū)所見。大約 100 μs 后，液體幾乎靜止擴張并開始凝固。

山狀特征明顯為亮點，坑狀特征為灰點。暗區(qū)表示金屬相對平坦且沒有明顯將光散射回相機鏡頭的區(qū)域。請注意，在任何層中都沒有觀察到液體飛濺的噴射。這在這個過程中是典型的，金相橫截面表明，在這些實驗中，熔體進入基材的深度約為 5–10 μm。

圖 2. LAPBF 的高速成像影片 [二極管 4600 W/cm2 持續(xù) 8 ms，YAG ~26 J/cm2，10 ns – 100 μs [脈沖長度 Seurat 專有]) 顯示正在打印的一塊“瓷磚”。? Science Direct

這部分是在 2 MHz（0.5 μs 的幀間距）下拍攝的。粉末厚度為 40 μm，使用 27 μm 的粉末尺寸。二極管激光器和脈沖激光器的眩光可以在 a,b) 中觀察到。時間 t = 0，對應(yīng)于高功率激光脈沖。激光“瓷磚”尺寸為2 mm × 2 mm。熔化的粉末顆粒會迅速聚結(jié)，并在 5 μs 內(nèi)收縮。液體運動大部分在大約 100 μs 后完成（參見視頻）。

3.2. 模擬：激光和流體物理

為了深入了解這些“山丘”和凹坑特征形成的物理過程，研究人員使用多物理代碼對照射 500 μm x 500 μm 區(qū)域的脈沖激光進行了模擬，如圖 3 所示，模擬盒尺寸為 700 μm × 700 μm × 100 μm。為了減少模擬二極管激光器預(yù)熱的計算成本，初始溫度設(shè)置為 1633 K(約889攝氏度℃)（一維熱模型預(yù)測的表面溫度），二極管加熱表面 150 μs 以建立溫度梯度。

圖 3. ALE3D 模型顯示了 ~26 J/cm2 熔化脈沖（10 ns–100 μs（脈沖長度 Seurat 專有））動力學(xué)的不同階段。50 μm 厚的直徑為 35 μm 的粉末顆粒層用作起始層。粉末顆粒的頂部在 2 μs (b) 時達到沸騰溫度，此后立即發(fā)生聚結(jié)。液體運動基本上在 100 μs (e) 時完成。凹坑缺陷此時形成但稍后固化。隨著凝固的繼續(xù)，由于表面張力和流體流動將液體吸入中心 (e, f)，在液體中心開始形成山丘型缺陷。? Science Direct

圖 3 中的模擬是根據(jù)研究人員在圖 2 中的高速數(shù)據(jù)設(shè)置的鏡像條件，并使用 35 μm 的粉末直徑和 50 μm 的層厚度（實驗平均值為 27 μm 直徑r，50 μm 厚度）。模擬設(shè)置用于觀察高強度激光脈沖期間發(fā)生的情況。模擬使用均勻的激光強度（忽略實際激光輪廓中的少量散斑，典型的相干脈沖激光）和測量的高強度脈沖的激光強度與時間的關(guān)系。預(yù)計這種簡化不會對模擬產(chǎn)生很大影響，因為散斑引起的強度變化很小，并且當(dāng)激光由于傳導(dǎo)而關(guān)閉時，由于強度變化引起的任何局部溫度變化都會迅速消除。

圖 3a 顯示了脈沖激光啟動前的溫度分布。在 2 μs（圖 3b）時，粉末的頂部處于沸騰溫度，由黑色輪廓表示。與在傳統(tǒng) LPBF 的實驗和模擬中觀察到的類似，由于液態(tài)金屬在沸點引起的蒸汽噴射導(dǎo)致液體中的向下力。這導(dǎo)致熔融粉末顆粒變形和變平，增加了顆粒半徑，并允許在先前未接觸的相鄰顆粒之間形成頸部（圖 3c）。蒸氣壓的作用用于將粉末固結(jié)成更具凝聚力的層。此后，熔融顆粒的聚結(jié)開始并持續(xù)到大約 30 μs。然后液體開始通過傳導(dǎo)熔化表面并擴散到它能夠潤濕表面的所有區(qū)域。

100 μs后（圖3e），液體運動幾乎完成，邊緣開始凝固，類似于高速成像中觀察到的。在激光脈沖期間基板表面沒有熔化的一些區(qū)域形成凹坑特征，因為液體不能容易地流入這些區(qū)域，因為沒有充分加熱以使其熔化。上覆的熔融粉末顆粒沒有足夠的儲存熱量來熔化基材表面。在其他區(qū)域，已形成的凹坑特征（圖 3e）能夠被液體覆蓋，因為足夠的熱能從熔融液體轉(zhuǎn)移到表面使其熔化，從而使液體潤濕和流動（圖 3f） .隨著凝固的繼續(xù)和邊緣的凝固，流體流動和表面張力將液體吸入中心并在瓷磚中心產(chǎn)生山丘型特征。

對該模擬的進一步檢查表明，凹坑和山丘特征受到基底陰影和由于溫度梯度產(chǎn)生的 Marangoni 流體流的強烈影響。圖 4 顯示了由水平流體速度（x 分量）表示的相同模擬。紅色表示向右的流體速度，藍色表示向左的流體速度。在圖 4d 中可以看出，在 110 μs 處，流體流動加深了一個“坑”特征并升高了一個“山丘”特征，并持續(xù)到以后的時間。黑色箭頭表示要素附近的流體流動方向。已經(jīng)觀察到常規(guī) LPBF 中的類似效果。

激光脈沖的光線追蹤分析表明，基板上的冷點是由上覆粉末顆粒的陰影形成的，阻礙了激光脈沖有效加熱基板（圖 4 中的虛線圓圈）。虛線圓圈表示在該區(qū)域跟蹤坑特征形成的相同位置。就像在傳統(tǒng)的 LPBF 工藝中一樣，將能量耦合到基材中對于完全固結(jié)材料很重要；如果激光能量沒有在正確的位置被有效吸收，則可能會形成缺陷。

圖 4. 流體流速的水平方向（x 分量）來自與圖 3 相同的模擬，以紅色和藍色顯示。紅色表示流體向右移動，藍色表示向左移動。在凹坑和山丘缺陷附近，流體分別遠(yuǎn)離和流向這些特征。虛線圓圈顯示了基板陰影區(qū)域 (a) 的位置，該區(qū)域在以后的時間 (b-f) 會導(dǎo)致凹坑缺陷。小箭頭表示表面速度方向。? Science Direct

由于陰影效應(yīng)強烈影響激光加熱基板的能力，因此使用與圖 3 中相同的粉末尺寸 (35 μm) 進行模擬，但使用相同的初始條件和激光運行單個單層粉末能量和注量（圖 5）。單個單層應(yīng)該有更多的激光穿透到基板。使用單層的模擬與使用較厚層的模擬表現(xiàn)出明顯不同的行為。2 μs 的溫度分布表明，顆粒表面和以前一樣處于沸騰溫度，但因為基底表面沒有被粉末顯著遮擋，而且更多的表面接近熔化溫度 (1700 K)(約926攝氏度℃) .其效果是熔融顆粒能夠?qū)崃總鬟f到表面，將其熔化、潤濕。

然后向外流成平坦的一層，到 25 μs 時，液體運動幾乎完成，該層凝固成一個平坦的、無特征的層。熔體進入基板的深度測量為大約 10 μm（通過橫截面實驗確認(rèn)），非常接近熱長度 √(Dt)，為 11 μm（ t = 25 μs [液體運動時間]和 316L SS 的擴散率 [D = 0.05 cm2/s]）。

圖 5. 35 μm 直徑粉末的單層粉末模擬。激光參數(shù)與圖 3、圖 4 中的相同。表面的完全潤濕是由于表面熔化增加而產(chǎn)生的，并導(dǎo)致形成平坦、無特征的層。? Science Direct

這提出了一個問題，即單層大粉末是否會產(chǎn)生相同的結(jié)果，加熱基材是否允許熔化粉末的最終平坦形態(tài)。圖 6 顯示了使用相同激光條件和 50 μm 粉末單層的模擬。模擬顯示了“大坑”和“山”缺陷，與 c 中顯示的實驗形態(tài)非常相似，使用相同的粉末尺寸和厚度。顯然，使用較大的粉末不會導(dǎo)致平坦的層形態(tài)。如果考慮到熱擴散到層中，則不良形態(tài)可直接歸因于時間不足以使粉末顆粒熔化。熔化時間可以估計為 a2/D，其中 a 是熔化深度。對于 a = 10 μm，熔化時間比脈沖持續(xù)時間（1 μs 級）長一個數(shù)量級以上。這解釋了為什么在模擬和實驗中，小直徑的粉末可以充分熔化成光滑的層，而 50 μm 的粉末則不能。

圖 6. 模擬（a）使用直徑為 50 μm 的單層粉末，（b）激光曝光后和（c）實驗結(jié)果的光學(xué)圖像（以與模擬相同的比例顯示，即相同的比例尺）使用50 μm 厚的一層中含有 54 μm 的粉末。? Science Direct

為了確認(rèn)模擬的預(yù)測是正確的，對粉末厚度減小的單層進行了拍攝，并使用一系列層厚打印了單柱。圖 7a-c 顯示了單個 30 μm 厚粉末層（27 μm 直徑）的高速成像，底層相對平坦且無特征，粉末層光滑。層厚度應(yīng)類似于模擬中使用的單層，但由于粒度分布而存在一些較小的顆粒。正如模擬所預(yù)測的那樣，所得層（圖 7b）顯示出比使用 40 μm 厚層時更好的平滑度。

在圖 7c 中嘗試通過跟蹤圖像運動來確認(rèn)該層的缺陷減少，該運動被發(fā)現(xiàn)類似于受照射的液體運動面積，因為在熔化過程中基本上不存在其他粉末運動。該圖像是通過獲取高速視頻中相鄰幀之間的差異并將所有這些差異圖像相加為一張圖像來構(gòu)建的。由于每個差異圖像跟蹤表面的局部運動，總和圖像跟蹤熔化和聚結(jié)后表面的總運動。當(dāng)液態(tài)熔融粉末顆粒聚結(jié)并且液體流入更平坦的層時，可以通過對幀之間的差異求和來跟蹤運動。

亮強度表示明顯的液體運動，暗強度表示表面沒有運動。該圖像給出了液體存在位置的定性意義。沒有運動（黑暗）的位置可能保持固體（因為液體會趨于芯吸）并且更有可能形成山丘或凹坑特征。可以看出它在整個“補丁”中相對平滑，表明流體運動分布良好，并且可能形成的缺陷很少。

圖 7. 使用 27 μm 直徑粉末、30 μm 層厚的單層打印（4600 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脈沖長度 Seurat 專有））。(a) 散布的粉末層光滑，沒有大的缺陷，導(dǎo)致 (b) 光滑的打印層（暗區(qū)）。(c) 整個貼片的液體運動相對均勻。顯示了使用三個獨立層厚度 (d) 的構(gòu)建，突出顯示了使用較厚粉末層時產(chǎn)生的缺陷。使用 20 μm 厚的層，達到的密度為 99.5%。熔體工藝的進一步優(yōu)化 (e) 隨后能夠始終如一地實現(xiàn)超過 99.8% 的密度。? Science Direct

在圖 7d 中，顯示了在保持激光參數(shù)不變的情況下在整個高度使用不同層厚度構(gòu)建的支柱。40 μm 的層厚導(dǎo)致大量孔隙，實現(xiàn)ng 理論密度的 96.5%。將層厚減少到 30 μm，密度增加到 99.0%。使用 20 μm 層發(fā)現(xiàn)最佳密度，通過光學(xué)截面測量達到理論密度的 99.5%。雖然零件太小，無法通過阿基米德方法進行可靠測量，但在高密度下，光學(xué)顯微鏡的結(jié)果通常非常接近阿基米德方法。熔體工藝的進一步優(yōu)化（4800 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脈沖長度- Seurat提供 ）隨后能夠始終如一地實現(xiàn)超過 99.8% 的密度。圖 7e 顯示了在垂直堆疊的整個構(gòu)建過程中密度始終 > 99.8% 的大規(guī)模樣本。