雖然金屬LPBF粉末床激光熔融3D打印技術在各種應用中具有很大的潛力，但這個過程缺乏對產品一致性的控制，成為進入到生產領域的一大限制因素。

為了推動金屬LPBF粉末床激光熔融3D打印技術從快速原型設計思維到快速制造，重要的是要深入了解影響加工工藝的因素，從而提高增材制造過程控制。為此，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）正在努力開發一種新的基于算法科學的增材制造設計策略，該策略可以通過使用定制和模擬驅動的光源來控制傳導熱。科研人員將研究結果發表成論文 “Spatial modulation of laser sources for microstructural control of additively manufactured metals”（“通過空間調制激光源用于控制金屬微觀結構”），其中他們展示了在LPBF 3D打印過程中如何控制光束橢圓度用于微結構控制。

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光束橢圓度與微觀結構

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從生物打印血管，使用3D打印控制反應材料到3D打印納米多孔金以及研究金屬3D打印缺陷，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家因其令人印象深刻的3D打印材料工作而聞名。

最常用于金屬3D打印的合金，如316L不銹鋼，鈦合金如Ti-6Al-4V，Inconel 718/625高溫合金，以及鋁合金如Al-Cu-Mg-Sc-Si，這些材料基本上是為傳統的生產流程開發的，并不是專門為增材制造加工工藝開發的。不適合的材料原料，以及缺乏對微觀結構形成產生影響的局部熱傳導活動的控制，來自過程監測的數據有限而導致對過程的預測能力不足。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究結果表明，光束調制提供了位點特定的微觀結構控制，這些結果可以通過熔池動力學和熱分布的有限元建模來解釋。該團隊使用的是簡單的光束整形光學元件，理論上在商業化層面上可以實現。

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因此，通過利用這種光學系統設計熱梯度，可以通過在構建過程中調制光束形狀來控制特定位置的等軸或柱狀晶粒，研究人員在Concept Laser的設備上進行了對316L不銹鋼粉末的加工。在單軌激光熔化實驗期間使用316L不銹鋼基板。在他們的LPBF測試平臺中，該團隊通過50毫米FL透鏡來控制600 W光纖激光器的光束。

利用LLNL的ALE3D數值模擬軟件工具，研究人員模擬了實際的粒度分布和隨機粒子堆積，然后通過使用激光射線追蹤算法模擬激光與實際粉末床的相互作用。通過混合有限元法解決了三維模型在非結構化網格上的元素和有限體積公式。為了節省計算時間，掃描速度設定為1800mm / s，能量密度為61J / mm 3。

使用LLNL的ALE3D代碼模擬激光模型相互作用，可以研究光束形狀對軌道宏觀和微觀結構的影響。研究人員確定“較低的激光功率下凝固對等軸晶的形成是有利的”，與光束橢圓度無關。當功率和掃描速度上升時，柱狀晶粒的濃度通常增加，這時候可以通過改變光束橢圓率來實現特定位置的微觀結構控制。此外，使用交替光束形狀的完整構建甚至可以實現更復雜的微結構。

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研究人員還研究了高斯和橢圓激光強度分布對單軌微觀結構的影響。當激光加熱發生熱傳導模式時，橢圓形強度的光斑比圓形輪廓的光斑在大得多的參數空間上產生等軸或混合等軸柱狀晶粒。這表明晶粒形態可以通過改變光束強度和空間輪廓來定制，同時保持恒定的激光功率和掃描速度。

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勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在2017年就創造了三倍的強度的超強耐腐蝕不銹鋼316L，LLNL聯合喬治亞理工大學和美國俄勒岡州立大學的阿姆斯國家實驗室的科學家們通過改變加工參數和過程控制來提高零件的力學性能。通過控制激光能量以及采取快速冷卻的過程，科研人員獲得了更加致密的零件加工結果。