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）。

Seurat通過進(jìn)一步降低制造成本來打入更大的市場(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，從而開啟更大的金屬制造市場(chǎng)。

簡(jiǎn)單的思路開辟新探索空間

金屬增材制造在增強(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)無法在零件中制造的幾何形狀，并且可以減少制造過程中產(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，通過激光掃描以創(chuàng)建一條固化材料的線，并重復(fù)多條線以創(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。

修拉所使用的大面積脈沖激光粉末床熔化（LABPF）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程演變?yōu)椴⑿羞^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，通過高速成像和高保真物理模擬研究了316L不銹鋼中LAPBF的物理特性。不過快速與精確通常是相互矛盾的，LABPF可以快速熔化金屬粉末，但是快速熔化帶來的熔化的顆?？焖倬劢Y(jié)成更大的液滴。

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40μm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。通過模擬表明，可以通過覆蓋在下方基材上的覆蓋粉末顆粒并阻止過多的激光能量沉積到基材中來產(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實(shí)驗(yàn)證明了獲得> 99.8%密度的零件。

此外，在LABPF過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LABPF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)

LABPF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5mm×5mm方形瓷磚，層厚為25 μm，總構(gòu)建速率為90 cm³/h。如果與類似于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)膶雍穸龋?0 μm）下以7.2 cm³/h的速率生產(chǎn)316L不銹鋼。

盡管取得了這些進(jìn)步，但LABPF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，這在任何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通過使用高保真模擬和高速成像來詳細(xì)了解該過程、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)過程的區(qū)別。

那么，研究人員必須要搞清楚在此過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。研究人員在先前的工作的基礎(chǔ)上，并使用了類似的實(shí)驗(yàn)裝置，通過OALV 創(chuàng)建了一種稱為“瓷磚”的極化切換圖案，然后將其投射到粉末床上。

■LAPBF系統(tǒng)圖

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，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，這里分別稱為27 μm和54 μm粉末，指的是尺寸分布。

鑒于LAPBF過程是熱驅(qū)動(dòng)的，模型必須滿足的一個(gè)要求是正確考慮能量平衡以及與液體熔池的耦合。這是通過使用全激光光線追蹤來實(shí)現(xiàn)的。如果沒有此功能，則需要通過指定恒定的材料吸收率來校準(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€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]有粉末的系統(tǒng)。換句話說，激光射線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預(yù)測(cè)最佳工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)接近全密度的打印。