Research on Method and Technology of Dual-Beam Selective Laser Melting Forming of Porous Stainless Steel

想象一下，你正试图用一束超热的激光，用熔融金属建造一座精致、像海绵一样的城堡。这就是**选择性激光熔化（SLM）**的世界——一种高科技版本的3D打印，通过将金属粉末层层熔合来创造复杂的形状。科学家们热爱这种方法，因为它可以制造出轻量化、多孔的结构，非常适用于过滤器、热交换器，甚至是能让骨骼在其中生长的医疗植入物。但问题在于：当你用激光灼烧金属时，它会变得极其炎热，而当它冷却下来时，又会发生收缩。由于金属冷却得极不均匀——中间热，边缘冷——它会发生扭曲和应力产生，就像一根被拉得太紧的橡皮筋。这种“残余应力”会导致最终的物体开裂或变形，毁掉完美的类海绵结构。为了解决这个问题，研究人员正在寻找控制热量的方法，就像厨师通过精准管理烤箱温度来防止舒芙蕾塌陷一样。

在这项研究中，来自福建工程大学的一个研究小组决定尝试一个聪明的策略：他们没有只使用一束激光，而是使用了两束。他们设置了一束“主”激光来熔化金属粉末，以及一束“辅助”激光来轻轻预热主光束前方的区域。你可以把它想象成一位主厨正在煎牛排，而一位副厨则用热毛巾轻轻预热肉类，以确保温度变化平滑，而不是给金属带来“热冲击”。通过在计算机上模拟这一过程并进行现实世界的实验，该团队发现这种双激光方法起到了热缓冲器的作用。它减少了导致应力的剧烈温差，有效地“软化”了金属对热的反应。他们的模拟和测试表明，这种方法成功降低了打印不锈钢内部的应力，证明了有时以正确的方式增加一点额外的热量，才是保持冷静与稳定的最佳方案。

实验：两束激光对比一束激光

研究人员专注于制造316L多孔不锈钢，这是一种以强韧且布满微小孔隙而闻名的材料。他们为该过程建立了一个详细的计算机模型，将金属粉末视为一个连续的块体，并模拟热量如何在其中传递。为了确保计算机模型是真实的，他们首先使用一台真实的双束机器（Dimetal-280系统）打印了一个样本，并测量了微小的“熔池”——即留下来的熔融金属小水洼。计算机的预测非常准确，与现实世界的测量值误差在5%以内。这让他们有信心利用模拟技术去测试数百种不同的场景，而无需浪费昂贵的金属粉末。

热量的“金发姑娘”区（理想区间）

团队进行了一系列测试，观察不同设置如何改变结果。他们像对待食谱一样对待这个过程，调整了五个关键成分：辅助激光的功率、其光斑大小、激光移动速度、激光线之间的间距以及两束激光发射之间的时间间隔。

他们发现，这些设置与最终应力之间的关系并不是简单的“越多越好”或“越少越好”的故事。相反，这是一个微妙的平衡行为：

• 辅助激光功率： 如果辅助激光太弱，它无法为金属提供足够的预热；如果太强，则会导致金属过热并过度膨胀，从而产生新的应力。存在一个“甜点区”，在此处可以完美地减轻应力。
• 光斑大小： 辅助激光的光斑太小，无法加热足够的区域；光斑太大，则会在某些地方使金属冷却过多。合适的尺寸能创造出一个平滑的温暖区域，防止剧烈的温度下降。
• 速度与间距： 移动激光太慢会倾泻过多的热量，而移动太快或间距太远则会留下寒冷的空隙。团队发现，1200 mm/s的扫描速度和100 μm的间距效果最好。
• 时间间隔： 这是指辅助激光预热位置与主激光熔化该位置之间的时间差。如果它们同时发射，过程会过于混乱；如果等待时间太长，金属在主激光到达前就会完全冷却。完美的时机是一个仅为 0.3 ms 的微小间隔，刚好足够让预热发挥作用而不失动力。

获胜组合

在运行完一次“正交实验”（一种同时测试许多组合的聪明方法）后，研究人员确定了产生最小应力的终极配方。理想的设置如下：

• 主激光功率： 150 W
• 主激光光斑大小： 40 μm
• 辅助激光功率： 10 W
• 辅助激光光斑大小： 160 μm
• 扫描速度： 1200 mm/s
• 扫描间距： 100 μm
• 时间间隔： 0.3 ms

当使用这一特定组合时，金属中的残余应力降到了最低点。事实上，表现最好的组别（第三组）的应力水平为 282 MPa，明显低于表现最差的组别（第九组）的 384 MPa。这证明了温度梯度——即热熔池与周围冷环境之间的温差——是造成应力的主要元凶。通过平滑掉这种温差，他们也平滑了应力。

最终对决：单束光对比双束光

为了真正证明他们的观点，团队将他们表现最好的双束设置与标准的单束设置进行了对比。他们保持总能量大致相同，但将其分配给两束激光。结果显而易见：

• 单束光： 产生了 1580 ℃ 的峰值温度，41,522 ℃/mm 的温度梯度，以及 293 MPa 的残余应力。
• 双束光： 产生了略低的 1525 ℃ 峰值温度，更缓和的 39,162 ℃/mm 温度梯度，以及更低的 282 MPa 残余应力。

双束法将残余应力降低了约 3.75%。虽然这个数字看起来可能很小，但在精密工程领域，这是一个显著的进步。其原因在于，辅助激光充当了预热器的角色，在主激光到达之前提升了粉末床的温度。这意味着金属在冷却时不会经历如此突然、剧烈的温度骤降，从而防止了导致开裂的“扭曲”。

这意味着什么

这项研究证实，通过协调的“双人舞”使用两束激光，是制造更强韧、低应力多孔金属零件的一种可行方法。研究人员表明，通过仔细调节辅助激光的功率、速度和时机，你可以控制金属的热历程。他们不仅仅是在猜测；他们模拟了物理过程，用现实实验进行了验证，并找到了一套最佳的数值。虽然应力降低幅度较为温和，但该方法为未来的改进提供了坚实的理论基础。它表明，如果我们希望在未来打印出更复杂、更可靠的金属结构，我们可能需要停止仅仅将激光视为“热风枪”，而要将其视为一个团队——其中一束负责准备舞台，而另一束负责承担重任。