根據(jù)3D科學(xué)谷此前的分享，2021年7月，LLNL美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室孵化的企業(yè)Seurat Technologies （修拉技術(shù)）完成了 4100 萬(wàn)美元的 B 輪融資，由 Capricorn 基金領(lǐng)投。加上此前的1350萬(wàn)的A輪融資，修拉技術(shù)共融資5450萬(wàn)美金（約合人民幣3.4億）。
根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，Seurat通過(guò)進(jìn)一步降低制造成本來(lái)打入更大的市場(chǎng)。使用Seurat第一代機(jī)器，可實(shí)現(xiàn)約 300 美元/公斤的制造成本，這可能使市場(chǎng)規(guī)模增加一倍。預(yù)計(jì)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(kāi)啟更大的金屬制造市場(chǎng)。
公司的名稱(chēng)借鑒于印象畫(huà)派（點(diǎn)彩派）的創(chuàng)始人修拉Georges Seurat，修拉背后的技術(shù)是如何與點(diǎn)彩派的畫(huà)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(lái)深度洞悉這項(xiàng)技術(shù)的原理。
簡(jiǎn)單的思路開(kāi)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(wú)法在零件中制造的幾何形狀，并且可以減少制造過(guò)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(chǎng)份額，這極大地影響了可實(shí)現(xiàn)的每件生產(chǎn)價(jià)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(guò)激光掃描以創(chuàng)建一條固化材料的線(xiàn)，并重復(fù)多條線(xiàn)以創(chuàng)建一個(gè)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(gè)熱 [激光] 源和更多的激光功率可以提高構(gòu)建速度，但會(huì)增加額外的控制挑戰(zhàn)。此外，保持多個(gè)激光器對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)簡(jiǎn)練的思路：如果金屬粉末的熔化與凝固從串行過(guò)程演變?yōu)椴⑿羞^(guò)程，則粉末床增材制造的構(gòu)建速度可能會(huì)顯著加快。
在這項(xiàng)工作中，通過(guò)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(guò)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(lái)的熔化的顆?？焖倬劢Y(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(huì)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(guò)模擬表明，可以通過(guò)覆蓋在下方基材上的覆蓋粉末顆粒并阻止過(guò)多的激光能量沉積到基材中來(lái)產(chǎn)生凹坑特征（凹坑特征可能導(dǎo)致孔隙）。
模擬表明，對(duì)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(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)驗(yàn)

/ 1 簡(jiǎn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guò)程的一個(gè)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(duì)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(xiàng)，并且具有重要的商業(yè)利益，因?yàn)樗峁┝嗽诓粨p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(lèi)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(shí)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(duì)較新，因此對(duì)同時(shí)熔化大面積粉末的物理原理知之甚少。LLNL通過(guò)使用高保真模擬和高速成像來(lái)詳細(xì)了解該過(guò)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(guò)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(huì)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(huì)產(chǎn)生缺陷。LPBF 過(guò)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(gè)過(guò)程的區(qū)別。
那么，研究人員必須要搞清楚在此過(guò)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(lèi)似的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)OALV 創(chuàng)建了一種稱(chēng)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(huà)派（點(diǎn)彩派）修拉Seurat的作畫(huà)方式極為“神似”）。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用單個(gè) Nd:YAG (1064 nm) 脈沖對(duì)金屬粉末進(jìn)行最終熔化以創(chuàng)建每個(gè)打印的“瓷磚”。雖然實(shí)驗(yàn)裝置能夠改變照明區(qū)域的形狀以通過(guò) OALV 實(shí)現(xiàn)任意幾何形狀，但在這項(xiàng)工作中，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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(chēng)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(guò)程是熱驅(qū)動(dòng)的，模型必須滿(mǎn)足的一個(gè)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(guò)使用全激光光線(xiàn)追蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果沒(méi)有此功能，則需要通過(guò)指定恒定的材料吸收率來(lái)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(shí)，恒定的吸收率可能是一個(gè)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?yàn)榧す馍渚€(xiàn)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?yàn)槲章首兊梅浅＝咏鼪](méi)有粉末的系統(tǒng)。換句話(huà)說(shuō)，激光射線(xiàn)主要與流體表面相互作用。不需要對(duì)導(dǎo)致氣體流動(dòng)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(dòng)也與表面張力驅(qū)動(dòng)的 Marangoni 效應(yīng)一起考慮，這將在模擬表面形態(tài)演變時(shí)討論。
簡(jiǎn)而言之，LLNL的科學(xué)家通過(guò)模擬已經(jīng)能夠預(yù)測(cè)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(wú)需針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)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(lái)預(yù)測(cè)最佳工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)接近全密度的打印。