近日，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員正在探索使用金屬3D打印技術來為先進的激光系統達到高強度、低重量的結構——他們稱這將改變激光器未來的設計方式。

在LLNL內部的一個實驗室指導研發(fā)(LDRD)項目中，物理學家Ibo Matthews和他的團隊正在使用一臺研究用的金屬3D打印機進行實驗，據了解，這款金屬3D打印機目前全世界只有4臺，它使用了一套定制的軟件平臺，可以實現前所未有的設計控制。

據悉，這款基于粉末床的激光熔融3D打印機是由弗勞恩霍夫激光技術研究所(ILT)和德國初創(chuàng)企業(yè)Aconity 3D共同制造的，并于2015年12月安裝在LLNL。后來，LLNL的工程師們在機器上又增加了診斷模塊和高速攝像機以研究熱輻射，并對3D打印中零部件的表面進行拍照。Matthews稱，這樣的改裝可以幫助研究人員確定在3D打印過程中缺陷或者變形是如何出現的。

“這套系統非常靈活，它使我們可以更改任何想要的參數。”他說。“我們正在建立置信度，如果有任何缺陷發(fā)生，我們的目標是用戶會在構建結束后擁有一個3D“地圖”，這個“地圖”會告訴用戶缺陷發(fā)生在哪里和發(fā)生了什么。”

目前，Matthews和他的團隊已經在美國國家點火設施(NIF)和定向能源項目的支持下獲得了關于激光材料處理和相互作用的知識，并正在此基礎上進一步開發(fā)新的金屬3D打印方法。而且他們的這項工作也是擴大NIF&光子科學(NIF & PS)的激光應用范圍，以及保持LLNL在激光物質相互作用科學領域競爭力的整體戰(zhàn)略的一部分。此外，NIF科學家們也對于金屬3D打印平臺在激光領域的應用感興趣——不僅限于NIF，還包括那些需要非常輕量級部件的機載遙感和航空掃描系統方面的應用。

“通過對3D打印進行精密、預測性的控制，你可以將剛度放在需要的地方。”防御技術部的NIF&PS項目主任Mike Carter說：“你可以為光纖激光器及底座創(chuàng)建具有功能梯度的結構，這是用傳統制造方式不可能實現的。”

實際上，NIF已經開始將3D打印的金屬部件用在其激光器結構中了。但是，為了能夠更加常規(guī)地在關鍵系統中使用他們，研究人員必須保證每個部件都是好的。

于是，為了加快這一認證過程，實驗室工程師正試圖通過采取完全不同的方法縮短開發(fā)階段——這是一種基于計算機模型的“前饋”方法，而不是試錯。如果成功，LLNL物理和生命科學局的Wayne King稱，這項研究將能夠從根本上改變金屬部件——包括那些在光學系統中使用的——的設計、制造方式。

“除非你采取基于科學的做法，否則你不會知道為什么A部件與B部件不一樣。”King說：“我們正在推動最為前沿的科技，實際上，我們已經看到了該技術的一些應用。”

在從去年開始的LDRD項目中，Matthews和他的團隊將會把金屬3D打印、高保真光學診斷與高性能計算結合起來，為他們金屬3D打印零件創(chuàng)建更高的置信度。這個項目計劃要進行三年的時間。

“我們想要做的是在模擬的基礎上推動這個過程，并在光學監(jiān)控的基礎上創(chuàng)建一種認證的“數字指紋”，以確保部件在第一次3D打印時就是正確的。”Matthews說。