根据3D科学谷此前的分享，2021年7月，LLNL美国国家实验室孵化的企业Seurat Technologies （修拉技术）完成了 4100 万美元的 B 轮融资，由 Capricorn 基金领投。加上此前的1350万的A轮融资，修拉技术共融资5450万美金（约合人民币3.4亿）。

根据3D科学谷的了解，Seurat Technologies 发明了一种新颖的区域打印方法，有可能突破当今金属增材制造的限制。这项新技术并没有增加激光源的数量，而是使用一种全新的光束操纵方法来增加每次熔化的体积。虽然通常的金属 AM 系统的光斑直径为 100 微米，但 Seurat 系统可将 200 万个激光点传送到粉末床区域中，每个光点的直径约为 10 微米。使用这种方法，Seurat 可以同时大幅提高构建速度，同时还可以提高分辨率。与其他单一激光系统相比，Seurat TechnologiesTM 将构建速度提高了 1000 倍。

公司的名称借鉴于印象画派（点彩派）的创始人修拉Georges Seurat，Seurat Technologies-修拉背后的技术是如何与点彩派的画法发生联系的呢？3D科学谷结合ScienceDirect上的“Physics of large-area pulsed laser powder bed fusion”论文分三期来深度洞悉这项技术的原理，本期为第二部分。

脉冲激光粉床缺陷模拟实验

/ 3 高速成像、模拟、挑战与策略

3.1.高速成像

这里使用的区域熔化过程包括两个步骤，(1) 预热步骤，其中粉末被二极管激光器选择性地照射，使粉末的温度刚好低于熔点；(2) 熔化步骤，其中强烈的单一激光脉冲将预热的粉末迅速熔化并固化成单层，并融合到基材表面（图 1）。大约 4600 W/cm2 的激光能量密度提供了足够的基板加热，而不会过早熔化粉末并导致液体粉末颗粒聚结成更大的珠子。

为了能够轻松比较各个实验和模拟，并最大限度地减少不同激光条件的变化，在每个实验和模拟中，脉冲激光使用相同的脉冲长度和能量。发现所使用的激光参数给出了最可重复的结果。在模拟和实验中仅使用层厚度和粉末粒径的变化来确定打印过程中的主要物理特性以及粉末特性对缺陷形成的相对影响。

尺寸范围为 15-32 µm (27 µm) 和典型层厚为 40 µm 的不锈钢 316L 粉末的熔化通过高速成像被捕获，如图 2 所示。可以看到激光“瓷砖”图案的轮廓在图 2a 和 b 中，随着激光强度下降（0 μs 和 1 μs）。

可以看到粉末迅速熔化并继续凝聚成更大的液滴，直到 40 μs，并最终形成一些较宽的液体区域，如 40 和 100 μs 之间的暗区所见。大约 100 μs 后，液体几乎静止扩张并开始凝固。

山状特征明显为亮点，坑状特征为灰点。暗区表示金属相对平坦且没有明显将光散射回相机镜头的区域。请注意，在任何层中都没有观察到液体飞溅的喷射。这在这个过程中是典型的，金相横截面表明，在这些实验中，熔体进入基材的深度约为 5–10 μm。

图 2. LAPBF 的高速成像影片 [二极管 4600 W/cm2 持续 8 ms，YAG ~26 J/cm2，10 ns – 100 μs [脉冲长度 Seurat 专有]) 显示正在打印的一块“瓷砖”。© Science Direct

这部分是在 2 MHz（0.5 μs 的帧间距）下拍摄的。粉末厚度为 40 µm，使用 27 µm 的粉末尺寸。二极管激光器和脉冲激光器的眩光可以在 a,b) 中观察到。时间 t = 0，对应于高功率激光脉冲。激光“瓷砖”尺寸为2 mm × 2 mm。熔化的粉末颗粒会迅速聚结，并在 5 μs 内收缩。液体运动大部分在大约 100 μs 后完成（参见视频）。

3.2. 模拟：激光和流体物理

为了深入了解这些“山丘”和凹坑特征形成的物理过程，研究人员使用多物理代码对照射 500 µm x 500 µm 区域的脉冲激光进行了模拟，如图 3 所示，模拟盒尺寸为 700 µm × 700 µm × 100 µm。为了减少模拟二极管激光器预热的计算成本，初始温度设置为 1633 K(约889摄氏度℃)（一维热模型预测的表面温度），二极管加热表面 150 μs 以建立温度梯度。

图 3. ALE3D 模型显示了 ~26 J/cm2 熔化脉冲（10 ns–100 μs（脉冲长度 Seurat 专有））动力学的不同阶段。50 µm 厚的直径为 35 µm 的粉末颗粒层用作起始层。粉末颗粒的顶部在 2 μs (b) 时达到沸腾温度，此后立即发生聚结。液体运动基本上在 100 μs (e) 时完成。凹坑缺陷此时形成但稍后固化。随着凝固的继续，由于表面张力和流体流动将液体吸入中心 (e, f)，在液体中心开始形成山丘型缺陷。© Science Direct

图 3 中的模拟是根据研究人员在图 2 中的高速数据设置的镜像条件，并使用 35 μm 的粉末直径和 50 μm 的层厚度（实验平均值为 27 μm 直径r，50 μm 厚度）。模拟设置用于观察高强度激光脉冲期间发生的情况。模拟使用均匀的激光强度（忽略实际激光轮廓中的少量散斑，典型的相干脉冲激光）和测量的高强度脉冲的激光强度与时间的关系。预计这种简化不会对模拟产生很大影响，因为散斑引起的强度变化很小，并且当激光由于传导而关闭时，由于强度变化引起的任何局部温度变化都会迅速消除。

图 3a 显示了脉冲激光启动前的温度分布。在 2 μs（图 3b）时，粉末的顶部处于沸腾温度，由黑色轮廓表示。与在传统 LPBF 的实验和模拟中观察到的类似，由于液态金属在沸点引起的蒸汽喷射导致液体中的向下力。这导致熔融粉末颗粒变形和变平，增加了颗粒半径，并允许在先前未接触的相邻颗粒之间形成颈部（图 3c）。蒸气压的作用用于将粉末固结成更具凝聚力的层。此后，熔融颗粒的聚结开始并持续到大约 30 μs。然后液体开始通过传导熔化表面并扩散到它能够润湿表面的所有区域。

100 μs后（图3e），液体运动几乎完成，边缘开始凝固，类似于高速成像中观察到的。在激光脉冲期间基板表面没有熔化的一些区域形成凹坑特征，因为液体不能容易地流入这些区域，因为没有充分加热以使其熔化。上覆的熔融粉末颗粒没有足够的储存热量来熔化基材表面。在其他区域，已形成的凹坑特征（图 3e）能够被液体覆盖，因为足够的热能从熔融液体转移到表面使其熔化，从而使液体润湿和流动（图 3f） .随着凝固的继续和边缘的凝固，流体流动和表面张力将液体吸入中心并在瓷砖中心产生山丘型特征。

对该模拟的进一步检查表明，凹坑和山丘特征受到基底阴影和由于温度梯度产生的 Marangoni 流体流的强烈影响。图 4 显示了由水平流体速度（x 分量）表示的相同模拟。红色表示向右的流体速度，蓝色表示向左的流体速度。在图 4d 中可以看出，在 110 μs 处，流体流动加深了一个“坑”特征并升高了一个“山丘”特征，并持续到以后的时间。黑色箭头表示要素附近的流体流动方向。已经观察到常规 LPBF 中的类似效果。

激光脉冲的光线追踪分析表明，基板上的冷点是由上覆粉末颗粒的阴影形成的，阻碍了激光脉冲有效加热基板（图 4 中的虚线圆圈）。虚线圆圈表示在该区域跟踪坑特征形成的相同位置。就像在传统的 LPBF 工艺中一样，将能量耦合到基材中对于完全固结材料很重要；如果激光能量没有在正确的位置被有效吸收，则可能会形成缺陷。

图 4. 流体流速的水平方向（x 分量）来自与图 3 相同的模拟，以红色和蓝色显示。红色表示流体向右移动，蓝色表示向左移动。在凹坑和山丘缺陷附近，流体分别远离和流向这些特征。虚线圆圈显示了基板阴影区域 (a) 的位置，该区域在以后的时间 (b-f) 会导致凹坑缺陷。小箭头表示表面速度方向。© Science Direct

由于阴影效应强烈影响激光加热基板的能力，因此使用与图 3 中相同的粉末尺寸 (35 μm) 进行模拟，但使用相同的初始条件和激光运行单个单层粉末能量和注量（图 5）。单个单层应该有更多的激光穿透到基板。使用单层的模拟与使用较厚层的模拟表现出明显不同的行为。2 μs 的温度分布表明，颗粒表面和以前一样处于沸腾温度，但因为基底表面没有被粉末显着遮挡，而且更多的表面接近熔化温度 (1700 K)(约926摄氏度℃) .其效果是熔融颗粒能够将热量传递到表面，将其熔化、润湿。

然后向外流成平坦的一层，到 25 μs 时，液体运动几乎完成，该层凝固成一个平坦的、无特征的层。熔体进入基板的深度测量为大约 10 µm（通过横截面实验确认），非常接近热长度 √(Dt)，为 11 µm（ t = 25 µs [液体运动时间]和 316L SS 的扩散率 [D = 0.05 cm2/s]）。

图 5. 35 μm 直径粉末的单层粉末模拟。激光参数与图 3、图 4 中的相同。表面的完全润湿是由于表面熔化增加而产生的，并导致形成平坦、无特征的层。© Science Direct

这提出了一个问题，即单层大粉末是否会产生相同的结果，加热基材是否允许熔化粉末的最终平坦形态。图 6 显示了使用相同激光条件和 50 μm 粉末单层的模拟。模拟显示了“大坑”和“山”缺陷，与 c 中显示的实验形态非常相似，使用相同的粉末尺寸和厚度。显然，使用较大的粉末不会导致平坦的层形态。如果考虑到热扩散到层中，则不良形态可直接归因于时间不足以使粉末颗粒熔化。熔化时间可以估计为 a2/D，其中 a 是熔化深度。对于 a = 10 μm，熔化时间比脉冲持续时间（1 μs 级）长一个数量级以上。这解释了为什么在模拟和实验中，小直径的粉末可以充分熔化成光滑的层，而 50 μm 的粉末则不能。

图 6. 模拟（a）使用直径为 50 μm 的单层粉末，（b）激光曝光后和（c）实验结果的光学图像（以与模拟相同的比例显示，即相同的比例尺）使用50 µm 厚的一层中含有 54 µm 的粉末。© Science Direct

为了确认模拟的预测是正确的，对粉末厚度减小的单层进行了拍摄，并使用一系列层厚打印了单柱。图 7a-c 显示了单个 30 μm 厚粉末层（27 μm 直径）的高速成像，底层相对平坦且无特征，粉末层光滑。层厚度应类似于模拟中使用的单层，但由于粒度分布而存在一些较小的颗粒。正如模拟所预测的那样，所得层（图 7b）显示出比使用 40 μm 厚层时更好的平滑度。

在图 7c 中尝试通过跟踪图像运动来确认该层的缺陷减少，该运动被发现类似于受照射的液体运动面积，因为在熔化过程中基本上不存在其他粉末运动。该图像是通过获取高速视频中相邻帧之间的差异并将所有这些差异图像相加为一张图像来构建的。由于每个差异图像跟踪表面的局部运动，总和图像跟踪熔化和聚结后表面的总运动。当液态熔融粉末颗粒聚结并且液体流入更平坦的层时，可以通过对帧之间的差异求和来跟踪运动。

亮强度表示明显的液体运动，暗强度表示表面没有运动。该图像给出了液体存在位置的定性意义。没有运动（黑暗）的位置可能保持固体（因为液体会趋于芯吸）并且更有可能形成山丘或凹坑特征。可以看出它在整个“补丁”中相对平滑，表明流体运动分布良好，并且可能形成的缺陷很少。

图 7. 使用 27 µm 直径粉末、30 µm 层厚的单层打印（4600 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脉冲长度 Seurat 专有））。(a) 散布的粉末层光滑，没有大的缺陷，导致 (b) 光滑的打印层（暗区）。(c) 整个贴片的液体运动相对均匀。显示了使用三个独立层厚度 (d) 的构建，突出显示了使用较厚粉末层时产生的缺陷。使用 20 μm 厚的层，达到的密度为 99.5%。熔体工艺的进一步优化 (e) 随后能够始终如一地实现超过 99.8% 的密度。© Science Direct

在图 7d 中，显示了在保持激光参数不变的情况下在整个高度使用不同层厚度构建的支柱。40 μm 的层厚导致大量孔隙，实现ng 理论密度的 96.5%。将层厚减少到 30 µm，密度增加到 99.0%。使用 20 μm 层发现最佳密度，通过光学截面测量达到理论密度的 99.5%。虽然零件太小，无法通过阿基米德方法进行可靠测量，但在高密度下，光学显微镜的结果通常非常接近阿基米德方法。熔体工艺的进一步优化（4800 W/cm2、8 ms、~26 J/cm2、10 ns–100 μs（脉冲长度- Seurat提供 ）随后能够始终如一地实现超过 99.8% 的密度。图 7e 显示了在垂直堆叠的整个构建过程中密度始终 > 99.8% 的大规模样本。