基於激光的 3D 打印技術憑藉著擴展性和複雜性，已經徹底改變了金屬零件的生產。但傳統上用於金屬打印的激光束仍然存在缺點，可能導致缺陷和不良的機械性能。探索高功率激光打印過程中常用高斯光束（Gaussian beam）的替代形狀，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員正嘗試解決這個問題，其中一個突破口就是激光粉末床熔融（LPBF）。
近日發表在《Science Advances》的一篇論文中，研究人員對被稱為貝塞爾光束（Bessel beams）的奇異光束形狀進行了實驗。這種光束擁有一些獨特的特性，如自愈和非衍射。研究發現，這些類型的光束的應用減少了孔隙形成和“keyholing”（鍵合）的可能性，而高斯光束的使用加劇了 LPBF 的孔隙誘發現象。這項工作在該雜誌 2021 年 9 月 17 日的封面上有所體現。
LLNL 的研究人員說，這項工作表明，貝塞爾光束等替代形狀可以緩解 LBPF 技術中的主要問題：在激光與金屬粉末相遇的地方發生的巨大熱梯度和複雜的熔池不穩定性。這些問題主要是由大多數現成的高功率激光系統通常輸出的高斯光束形狀引起的。
該論文的主要作者、LLNL 研究科學家 Thej Tumkur Umanath 說：“使用高斯光束很像使用噴火器來烹飪你的食物；你不能很好地控制熱量如何沉積在材料周圍。有了貝塞爾光束，我們重新分配了一些遠離中心的能量，這意味着我們可以設計熱曲線，減少熱梯度，以幫助微結構晶粒細化，並最終導致更密集的部件和更光滑的表面”。
傳統光束的另一個缺點是，它們在傳播過程中容易出現衍射（擴散）。貝塞爾光束由於其非衍射特性，可以提供更大的聚焦深度。因此，論文作者觀察到，使用貝塞爾光束時，工件相對於激光焦點的位置的公差增加了。放置對於工業系統來說是一個挑戰，因為這些系統經常依靠昂貴而敏感的技術，在每次沉積一層金屬粉末時，將正在進行中的構建定位在聚焦光束的焦點深度內。
Tumkur 解釋說：“貝塞爾光束因其非衍射和自愈特性而被廣泛用於成像、顯微鏡和其他光學應用，但光束形狀工程方法在基於激光的製造應用中相當少見。我們的工作解決了金屬增材製造領域中光學物理學和材料工程之間似乎存在的脫節問題，即採用設計光束形狀來實現對熔池動態的控制”。
