《Additive Manufacturing》：Elucidating the mechanism for suppression of spatter in dual-laser powder bed fusion systems: A numerical and experimental study
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本研究通过实验与三维多物理场模拟，系统分析双激光配置对激光粉末床熔融（LPBF）过程中粉末飞溅的抑制机理，发现前激光50W、后激光100W、间距600μm的组合效果最优。
Fangzhou Li|Haoran Shi|Nicholas Kirschbaum|Chuan He|Chinedum E. Okwudire|Wenda Tan
密歇根大学机械工程系，美国密歇根州48109
摘要
在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，粉末飞溅是影响最终零件质量的关键因素。尽管之前的实验研究已经初步了解了双激光配置对粉末运动行为的影响，但它们并未深入探讨控制LPBF过程中这些动态的激光/气体-粉末相互作用机制。本研究采用了多种双激光配置进行实验，其中两束激光沿相同轨迹依次移动，具有不同的功率组合和激光间距。通过基于图像的分析方法定量评估了飞溅现象。此外，还利用了一个完全耦合的三维多物理模型，系统研究了双激光配置对氮气环境中SS316合金蒸汽羽流、环境气体流动和粉末行为的影响，实验参数与实际操作相同。在测试的配置中，50瓦前激光、100瓦后激光和600微米激光间距的组合显示出最有效的飞溅抑制效果，这一现象首先在实验中观察到，随后在模拟中得到了验证。借助模拟多物理场的信息，详细研究了导致这种行为的潜在机制。这些发现强调了辅助激光修改在减轻粉末飞溅方面的潜力，从而为提高LPBF过程中的零件质量提供了新的途径。
引言
在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，意外的粉末位移会显著影响最终零件的质量。在激光照射过程中，基底和附近的粉末颗粒会吸收激光能量，温度可能超过沸点，从而在熔池凹陷表面形成高速高温的蒸汽羽流[1]、[2]、[3]、[4]。该羽流在周围惰性气体环境中的膨胀会引发复杂的气体流动模式，导致周围粉末颗粒的卷入和喷射[5]，分别导致表面裸露和飞溅现象。观察结果表明，粉末颗粒倾向于被吸入激光照射区域（LIZ），随后被喷射出来[1]、[6]、[7]，从而破坏了粉末床的均匀性，并引入了零件质量的变异性。飞溅颗粒既有固态也有液态[8]，进一步复杂化了粉末的位移动态。这种位移现象可能会引起一系列不良后果，包括表面粗糙度下降[9]、熔合不良[1]、[10]以及氧化加剧[11]，最终影响制造零件的机械性能[12]。因此，越来越多的研究关注于理解和减轻粉末飞溅问题，近期相关文献也不断增多[13]。通过调整激光参数可以减轻LPBF中的粉末飞溅。关键的激光参数包括功率和扫描速度。Bidare等人[1]报告称，在低功率和低扫描速度下，蒸汽羽流和飞溅物垂直或向前喷射；而高功率和高速扫描速度则会导致喷射方向向后偏移。类似地，Zheng等人[14]观察到，在固定激光功率的情况下，低扫描速度会导致羽流不稳定和垂直飞溅加剧，而高速度则使羽流更加稳定，喷射主要朝后进行，这与关键孔诱导的流动行为一致。
LPBF中使用的环境气体也会影响粉末飞溅行为。Amano等人[15]比较了氩气和氦气环境，发现氦气环境中的高温飞溅现象较少，这归因于蒸汽羽流/熔池与周围气体之间的对流热传递增强。此外，研究[16]、[17]、[18]发现，较高压力会提高沸点，从而增加蒸汽羽流温度并促进高温飞溅的形成。然而，高压也会抑制羽流膨胀并减弱相关的卷入流动，最终减少被位移和喷射的颗粒数量。
不同激光束功率分布也会影响粉末飞溅行为。Tumkur等人[19]比较了高斯光束和贝塞尔光束的效果，发现贝塞尔光束产生的熔池更稳定，蒸汽羽流方向的波动也更小。Yuan等人[20]报告称，环形光束产生的高温或熔融飞溅较少，这归因于熔池振荡的减弱。也探索了多光束策略。Slodczyk等人[21]使用多束平行光束生成了更宽的熔池，同时保持了与单光束相当的飞溅量，从而减少了单位扫描面积内的飞溅事件。Bitharas等人[22]研究了线性扫描速度对粉末飞溅行为的影响，发现与线性激光扫描相比，增加线性扫描速度可以减少飞溅现象。
在各种策略中，多激光配置提供了更复杂和灵活的功率分布。这种增强的控制能力有助于精细调节工艺动态，并有可能减轻或消除最终零件中的缺陷[23]、[24]、[25]、[26]。此外，辅助激光的集成可以实现粉末颗粒的局部预熔化或后熔化，从而降低其飞溅倾向[27]、[28]、[29]。因此，多激光设置是有效抑制LPBF中粉末飞溅的有希望的解决方案。
在实验方面，多激光策略已经显示出调节熔池动态、影响微观结构演变和改善机械性能的能力[30]、[31]、[32]。它还可以改变粉末的行为。Yin等人[27]研究了一种反向扫描路径的双激光系统，发现稳态运行时，每束激光扫描经过另一束激光留下的裸露区域会显著抑制粉末卷入，从而降低飞溅增长率。Kippels等人[33]通过高分辨率成像追踪飞溅轨迹，发现增加激光间距可以降低飞溅速度并略微减小喷射角度。
在计算方面，已经广泛研究了多激光配置对熔池热力学、残余应力、表面质量和零件变形的影响。Cao[34]证明，使用低功率前激光和高功率后激光的双激光配置可以有效预热和预烧结进入的粉末，从而减少孔隙形成。Promoppatum[35]应用热力学模型表明，适当调整激光功率和间距可以将冷却速率和残余应力分别降低约70%和30%。其他研究[28]、[36]、[37]也关注了热效应和应力演变，一些研究还报告了双激光处理对表面光洁度的改善[23]和零件变形的减少[38]。值得注意的是，目前还没有模型研究专门探讨多激光配置中的粉末运动。
尽管多激光策略取得了进展，但从实验和建模的角度来看，粉末飞溅抑制的机制仍然不够清楚。此外，之前没有研究将实验和模拟结合起来全面探讨这些机制。为了填补这些空白，本研究结合了高速成像和数值模拟，研究了双激光配置下的粉末飞溅行为。实验捕捉了不同激光功率和激光间距对飞溅的影响，同时使用了一个成熟的多物理模型[39]、[40]、[41]、[42]、[43]来模拟选定的情况。模拟结果经过实验数据验证后，用于定量分析蒸汽羽流动态、环境气体流动和粉末运动。团队最近提出的新评估框架[44]被用来量化双激光配置中的不同类型的粉末运动，并通过模拟揭示了一种新的飞溅抑制机制。这项工作为改进多光束策略设计提供了新的见解。
实验部分
实验
实验装置如图1所示。使用PANDA Open Additive系统进行LPBF打印。高速图像序列由Photron FASTCAM Mini AX100相机拍摄（白色虚线轮廓所示），该相机以每秒5000帧（fps）的速度运行，分辨率为1024 × 1024像素。相机相对于垂直轴（白色虚线轮廓所示）以大约45°的角度安装。粉末床使用集成白光照明。
结果与讨论
首先分别研究两束激光对粉末床的影响，以建立对工艺动态的基本理解。然后研究双激光配置，预期它们会展现出单个激光的综合效果。每项研究都从分析气体流动行为开始，包括蒸汽羽流和环境气体流动，这两者都是粉末运动的关键驱动因素。
结论
在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，粉末飞溅会显著影响产品质量。多激光配置已被证明可以有效缓解这一问题。本研究结合了基于物理的模拟和现场监测实验，阐明了双激光配置下飞溅抑制的潜在机制。模拟结果通过实验观察得到验证，提供了定量的见解。
作者贡献声明
Fangzhou Li：撰写——初稿、验证、方法论、研究。Wenda Tan：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目统筹、概念构思。Haoran Shi：撰写——审稿与编辑、研究。Nicholas Kirschbaum：撰写——审稿与编辑、研究。Chuan He：撰写——审稿与编辑、研究。Chinedum E. Okwudire：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目统筹。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
FL和WT感谢美国国家科学基金会在Grant No. 2223014项目下提供的财务支持。
