以下文章来源于极端制造 IJEM ，作者Editorial Office
激光粉床熔融 (LPBF) 是一种增材制造 (AM) 工艺，依靠激光根据三维CAD模型选择性地熔化连续的金属粉末层。LPBF激光粉床熔融3D打印工艺的优势是能够生产复杂的几何形状，同时最大限度地减少交货时间和材料浪费。尽管有许多优点，但该过程仍然面临一些限制。特别是，缺陷的随机形成仍然是一个主要问题，因为它会导致机械性能下降，这阻碍了LPBF 在关键应用中更广泛的工业化采用。
小孔缺陷可能导致零件的机械性能下降，通常在加工后通过非破坏性质量检查程序和孔隙去除处理来检测和去除。而在LPBF金属激光粉末床熔融增材制造工艺过程中监测和控制缺陷的形成可以避免此类耗时且成本高昂的后处理阶段。
近期，伦敦大学学院机械工程学院（UCL Mechanical Engineering）Peter D. Lee教授，Chu Lun Alex Leung副教授，郭耷博士后研究员及其团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an Al-Fe-Zr alloy》的研究论文，系统介绍了LPBF中飞溅与凹陷区的动态联系。
▲论文链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad4e1d
亮 点
- 通过高速原位x射线成像分析LPBF过程中飞溅与匙孔/凹陷区之间的动态联系；
- 发现新的飞溅形成机制；即由金属蒸气压力、Kelvin-Helmholtz不稳定性和马兰戈尼对流共同作用下于匙孔后缘形成的后缘液滴飞溅；
- 发现新的表面缺陷形成机制；即由激光-小颗粒粉末飞溅相互作用导致的表面孔洞，被称为飞溅引入孔洞；
- 推荐低能量密度（低扫描速度）的金属3D打印参数，以最小化LPBF的飞溅和表面缺陷形成。
导 读
激光粉末床熔融（LPBF）是一种功能强大的增材制造/3D打印（AM）技术。它可以在无模具成本的情况下高效地逐层制造出具有复杂结构的小型金属组件。相比于传统的金属制造工艺，LPBF具备超高的设计自由度和精度，是适用于航空航天，机械自动化以及医学领域的理想技术。然而，激光工艺的不稳定性导致了缺陷的形成，尤其是飞溅导致的表面缺陷，会直接影响制造部件的疲劳性能。由于难以实现满足严格高质量标准的低缺陷、高密度金属组件，LPBF在各个行业的关键应用中受到了阻碍。
「 Highlight 」
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飞溅的产生源自于激光-粉末-液态金属的相互作用。在LPBF过程中，根据其形成机制发现了四种类型的飞溅：(i)粉末飞溅，(ii)夹带飞溅，(iii)粉末聚结飞溅，以及(iv)液滴飞溅。当高能的激光束撞击粉末床时，局部加热导致液体金属表面汽化，形成高压蒸汽射流。蒸汽射流产生的反冲压力导致金属液面的向下凹陷（称作匙孔或者凹陷区）。在激光-物质相互作用区域，高速向上的蒸汽流将熔池周围的粉末喷射出去形成粉末飞溅。同时，高速气流产生的低压诱导惰性保护气体向内流动，卷带粉末颗粒形成夹带飞溅。高温使粉末表面局部熔化进而产生聚结，并被保护气体气流夹带形成不规则的大颗粒飞溅。液滴飞溅主要是由不均匀的反冲压力引起的熔池液面波动，蒸汽压力克服液体表面张力导致液体破裂时形成的。
大尺寸的颗粒飞溅，例如液滴飞溅和粉末聚结飞溅，通常被认为是LPBF过程中缺陷生成的主要来源。过大的飞溅可能粘附在增材制造零件的表面上，增加其表面缺陷和粗糙度；它们还可能镶嵌在后续建造层的粉末床中，导致因不均匀的能量吸收而熔合不完全，最终产生孔隙。同时，飞溅颗粒可能发生氧化，降低粉末的可回收利用率和可重用性；表面氧化物会抑制颗粒熔合并促进孔隙形成，从而降低LPBF部件的密度。然而，关于小颗粒飞溅对部件缺陷的影响研究却略显不足。
目前，大部分研究采用原位高速光学成像，红外热成像或者Schlieren成像来捕捉LPBF过程中的动态蒸汽射流和飞溅，但这些成像技术无法同时实现高时间分辨率和高空间分辨率。而同步辐射x射线光源具有极高的时间（高达1MHz）和空间分辨率，这对于高速动态现象（飞溅）的可视化以及细节呈现至关重要。
图1展示了运用原位高速（40 kHz）同步辐射x射线成像捕捉LPBF中高速飞溅和熔池变化的动态过程。
▲图1 LPBF过程中原位同步辐射x射线成像装置的示意图。
研 究 背 景
当使用适当的工艺参数时，LPBF打印的组件在缺陷水平和机械性能方面可以优于铸件。然而，目前它们的表面质量和缺陷水平可能尚未达到锻造产品机加工组件的水平。因为铝的加工相对廉价，且废料可以高效回收，LPBF的铝合金组件目前仅在少数细分应用中能替代机加工组件。在工业中，铝合金LPBF在生产短交期的原型件（如非机加工的备件）或用单个增材制造组件替换复杂的组件系统时变得具有吸引力。
铸造铝合金如AlSi10Mg和高强度铝合金（例如6xxx和7xxx系列）在增材制造应用中可能表现出较差的机械性能或工艺性。为此，Constellium科技公司研究了新型的Al-Fe-Zr合金系统，并在铝协会注册为AA8A61.50。该合金设计简化了LPBF的生产过程。打印后，在400°C下进行4小时的沉淀硬化处理，其组件能达到约300 MPa的峰值屈服强度和高水平的导热性（180W/m·K）以及导电性（高达30 mS/m）。并且，AA8A61.50的打印组件通常表现出低内部缺陷和低残余应力。表面缺陷（或粗糙度）的减少能进一步改善其LPBF组件的疲劳性能，而这些表面缺陷通常与飞溅的形成有关。
综上，为了更深入理解LPBF中飞溅的形成演变机制， 从而防止它们的形成，UCL团队运用高穿透，高时间以及空间分辨率的同步辐射光源于动态飞溅的研究。在本文中，UCL团队对LPBF金属3D打印中高速飞溅的最新研究进行了详细的介绍。
最 新 进 展
最新进展主要分为四个部分：LPBF原位x射线成像实验设计以及图像处理，飞溅的种类与形成机制，动态飞溅的定量分析，新的表面缺陷形成机制分析。
「 Highlight 」
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LPBF原位x射线成像实验设计以及图像处理，本实验中使用的设备是由UCL团队研发定制的LPBF激光3D打印设备，称为Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）。如图2所示，该设备由四个RenAM 500Q（英国Renishaw公司）激光扫描头、高速摄像机以及一个充满氩气保护气体的工作室组成。其激光功率最高可达500瓦，可还原工业级别的LPBF打印参数。原位实验前，一个厚度为1毫米、高度为15毫米的基板被镶嵌在两片极薄的玻璃碳窗片之间，并安装在工作室中。料斗在基板上自动沉积一层薄薄的粉末（约为60微米）。在原位x射线成像实验中，激光同步运作以模拟LPBF中加工薄粉末层的过程，参照视频1中的示例。
▲图2 定制设备Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）的示意图。
原位实验在欧洲同步辐射光源实验室（ESRF）的高速成像光束线ID19上进行。该光束线使用两个U32摆动器产生多色硬X射线束，平均能量约为30 keV。当入射光束通过样品和封闭在两侧的玻璃碳窗后，衰减的X射线被LuAG: Ce闪烁体转换并发出可见光。可见光图像通过5倍物镜放大，然后由高速相机（Photron FASTCAM SA-Z 2100 K，日本Photron公司）以40 kHz的帧率捕获。本次实验的视场（FoV）为1024像素（宽）× 512像素（高），各向同性像素大小为4.3 微米。
获取的原始射线图像均使用ImageJ和MATLAB©进行处理。首先使用公式=0/ 对图像进行平场校正。为了去除静止物体，应用了自定义的背景减除。之后通过应用高斯滤波器和手动阈值对固体飞溅和液滴颗粒进行分割。最后使用ImageJ中的TrackMate插件，通过应用掩模检测器和高级卡尔曼跟踪器，对飞溅颗粒运动进行跟踪和量化（参见视频2中的示例）。每条轨迹上识别出的颗粒的最大帧数设置为3帧。为了捕捉稳态匙孔或凹陷区形态，使用Python脚本对背景去除后的图像重新框定以聚焦于熔池区域。
飞溅的种类与形成机制。如图3所示，研究人员对LPBF过程中的五种飞溅颗粒进行了分类，并根据其形成机制将其划分为：固态粉末飞溅、固态夹带飞溅、粉末聚结飞溅、喷射液滴飞溅和大液滴飞溅。其中前4种飞溅的形成机制详解于文章导读章节。除此之外，研究人员发现了新的液滴飞溅的形成机制（称为后缘液滴飞溅）。如图3（d-g）所示，在匙孔熔化条件下，马兰戈尼对流将匙孔底部附近的液态金属推向上部熔池表面。强烈的蒸汽流（蓝色实箭头）会在匙孔后壁产生蒸汽压力。金属蒸汽和液态金属之间的速度和密度差异在气-液界面处引起扰动，即Kelvin-Helmholtz不稳定性。Kelvin-Helmholtz不稳定性和马兰戈尼对流（红色虚线箭头）的共同作用促使在后缘处形成一个大的液体突起。当蒸汽射流继续与突起持续相互作用时，它会使液态金属过热并降低其表面张力，形成一个缩颈区。一旦蒸汽压力克服了缩颈区的表面张力，大的液滴就会脱离并被蒸汽射流喷射出去形成后缘液滴飞溅。
同时，研究人员定量分析了飞溅颗粒的尺寸和数量，其中飞溅尺寸分布与线性能量密度（）之间没有相关性。然而，固体或液滴飞溅颗粒的数量与之间却存在强正相关性。因此，研究人员推导出以下公式来预测AA8A61.50在LPBF过程中飞溅颗粒的数量：
固态飞溅：
液滴飞溅：
这两个公式均可用于未来LPBF中飞溅模型的验证以及设计新的打印参数以达到飞溅最小化。
▲图3 LPBF中飞溅颗粒的分类与形成机制：（a-b）用不同颜色区分的5种飞溅粒子类型；(c)飞溅形成机制的示意图；（d-g）后缘液滴飞溅的形成机制；（h）固态飞溅、液滴飞溅和粉末聚结飞溅的直径分布；（i）固态飞溅、液滴飞溅和粉末聚结飞溅的圆度分布；（j）不同线性能量密度下的固态飞溅和液滴飞溅的数量和直径。
动态飞溅的定量分析。为了理解在不同扫描速度和激光功率下的飞溅动态，我们在LPBF过程中追踪并量化了固态飞溅以及液滴飞溅颗粒的轨迹角度和速度。同时我们还将将飞溅的动能与输入的激光能量进行比较，以估计飞溅生成过程中消耗的能量百分比（PE）。
图4展示了不同激光功率和扫描速度下飞溅颗粒的运动轨迹角度、速度以及消耗能量百分比，并与相对应的匙孔/凹陷区形态进行比较。研究结果表明匙孔/凹陷区形态对于飞溅颗粒的轨迹角度影响较大。而线性能量密度与飞溅速度/动能之间呈正相关，这是因为较高的线性能量密度（较高激光功率或较低扫描速度）会在LPBF过程中引起更多的金属汽化和更高的蒸汽压力。同时，较高的扫描速度有利于减少夹带粉末飞溅的产生。
综上，研究人员建议在激光功率为420瓦的情况下，使用更快的扫描速度（>1米/秒），以使得AA8A61.50合金在LPBF打印过程中减少整体飞溅数量,飞溅速度和粉末夹带。
▲图4 LPBF过程中的动态飞溅的定量分析：（a，b）飞溅颗粒运动轨迹角度；（c, d）飞溅颗粒速度和能量消耗百分比；（e，f）匙孔/凹陷区形态。
新的表面缺陷形成机制分析。先前大量研究表明，大液滴飞溅可能会被困在打印层之间，导致杂质和孔隙，从而对LPBF产品的性能产生不利影响。通过对x射线图像的逐帧分析，研究人员发现了由小颗粒固态飞溅导致的新的表面缺陷的形成机制（称为飞溅引入孔洞）。
图5（a-f）展示了飞溅引入孔洞的形成机制。一个约36微米的前向飞溅颗粒首先被喷射到激光扫描路径中，然后在激光辐射力（Frad）作用下改变其轨迹方向，高速飞向粉末床（称为激光-飞溅相互作用）。在飞溅与粉末床碰撞时，引起更多的粉末飞溅并在激光束前方形成一个局部裸露区，激光熔化后在最终打印层中形成一个表面孔洞。同时图5（g-h）表明，较小的匙孔/凹陷区前壁角度会产生最少的前向飞溅颗粒，从而降低激光-飞溅相互作用的概率。最终减少表面孔洞产生的可能性并改善表面质量（即低表面粗糙度）。
▲图5 LPBF过程中的表面缺陷的新形成机制：（a-f）飞溅引入孔洞形成机制；（g-h）激光-飞溅相互作用频率、表面粗糙度、匙孔前壁角度和飞溅轨迹角度之间的关联。
未 来 展 望
由于高速成像技术时间或空间分辨率的限制，目前对于LPBF金属3D打印过程中动态飞溅的理解和认知还稍显不足。本研究应用高速同步辐射x射线成像技术在新合金AA8A61.50 LPBF打印过程中进行了飞溅颗粒的动态研究，证明了同步辐射光源在高速动态现象研究中的潜在应用价值。因此，研究人员认为未来LPBF中飞溅研究的发展方向应侧重于利用同步辐射光源对不同合金（例如在增材制造应用广泛的不锈钢、钛合金、镍合金、铝合金等）在LPBF打印过程中产生的飞溅进行定量分析，最终实现LPBF金属3D打印飞溅最小化以及表面质量最优化。
作 者
郭耷、Rubén Lambert-Garcia、Samy Hocine、范贤强、Henry Greenhalg、Ravi Shahani, Marta Majkut, Alexander Rack、Peter D. Lee、 Chu Lun Alex Leung
机 构
伦敦大学学院（UCL）
哈韦尔研究中心（Research Complex at Harwell）
英国国家科研与创新中心 （UK Research and Innovation）
欧洲同步辐射光源实验室（ESRF）
HiETA 科技公司
Constellium 科技公司
Citation
Guo D et al. 2024. Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an AlFe-Zr alloy. Int. J. Extrem. Manuf. 2024, 6, 055601.
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通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺结合后续热处理增材制造含碳 CrMnFeCoNi 高熵合金 (C-HEA) 纳米复合材料。热处理步骤不仅会产生异质结构晶粒，而且会在晶粒和子结构边界处产生均匀分布的纳米碳化物析出物。与其他 CrMnFeCoNi HEA高熵合金相比，通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺制造的C-HEA高熵合金表现出优异的高温抗蠕变性。
本期，结合《Superior resistance to high–temperature creep in an additively manufactured precipitation–hardened CrMnFeCoNi high–entropy alloy nanocomposite》这篇论文，分享的是来自韩国仁荷大学材料科学与工程系和韩国材料科学研究所 (KIMS)的研究团队的最新发现。
© 白皮书
简介
高温性能是一个理想的标准，特别是对于用作飞机、航天器和运输的下一代结构部件的材料，因为这些材料需要对极端环境具有高耐受性。在这方面，高熵合金（HEA）是作为下一代结构部件的有希望的候选者，因为它们在较宽的温度范围内具有优异的物理、化学和机械性能。
在 HEA 家族的众多成员中，面心立方 (FCC) 结构的等原子 CrMnFeCoNi（称为坎托合金）由于其优异的拉伸强度、断裂韧性、高循环性能而受到越来越多的关注。近年来，这种CrMnFeCoNi合金体系的抗蠕变等高温力学性能受到广泛研究。
研究结果表明，尽管蠕变行为主要由缓慢的元素扩散主导，但其抗蠕变性并不优于其他 FCC 结构的金属材料。因此，为了进一步提高HEA的高温机械性能，需要额外的后处理或添加合金元素，但这些补救措施会增加成本并使制造过程复杂化。在这种情况下，有希望的解决方法是向 HEA 添加具有成本效益的间隙原子，同时可以优化组件的几何形状。
金属增材制造（AM）技术能够制造具有净形状的高性能金属产品，并为设计具有更复杂几何形状的组件和强化材料结构提供无限可能性。在适用于金属零件制造的增材制造技术中，选区激光熔融（SLM）金属3D打印技术不仅可以最大限度地提高几何形状的自由度，还可以最大限度地提高机械性能。
研究团队发现通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺结合后续热处理增材制造含碳 CrMnFeCoNi 高熵合金 (C-HEA) 纳米复合材料具有优异的机械性能。人们已经认识到添加碳可以提高强度，同时保持延展性。此前有研究证实添加高达 3.3 at% 的碳可以同时提高 CrMnFeCoNi HEA 的强度和延展性。此外，有研究发现LPBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺可以使 CrMnFeCoNi HEA 高熵合金中的碳过饱和，而不会引入任何大的缺陷和裂纹，这种碳水化合物的过饱和通过后热处理。此外，该合金在室温下具有 1.2 GPa 的优异拉伸强度和20%的延展性。
▲ (a) SEM显微照片和相应的EDS元素映射图像；(b) EBSD IPF 图显示了分层和异质晶粒结构。 (c1) 高倍率 EBSD IPF 图像和 (c2) GND 分布图。
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在目前的工作中，研究团队研究了增材制造的含碳 CrMnFeCoNi HEA 的高温蠕变和蠕变变形行为，并随后进行了热处理。具体来说，这项研究重点关注定制的微观结构如何影响高温蠕变阻力和高温下微观结构的演变。研究团队发现，稳定的亚晶强烈阻碍位错运动和微观结构演化，从而产生优异的抗蠕变性。
结论
在这项工作中，研究团队研究了增材制造的过饱和含碳高熵合金（C-HEA）的后热处理引起的稳定亚晶粒对合金高温蠕变抗力的影响。得出以下主要结论：
▲ 微观组织
© Materials&Design
- 含碳 CrMnFeCoNi HEA 的增材制造工艺和后续热处理不仅形成了具有位错网络亚结构的异质结构晶粒，而且在晶粒和亚晶界处形成了均匀分布的碳化物。
- 激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺加工的C-HEA 的高温抗蠕变性能优于 CrMnFeCoNi 高熵合金。C-HEA 的蠕变速率比传统加工的 HEA 低两个数量级。
- 详细的微观结构观察证实，稳定的亚晶粒诱导了极度锯齿状晶界的形成，从而进一步强化了亚晶粒，并抑制了高温蠕变过程中的再结晶，从而产生了优异的抗蠕变性。
上述发现得出结论，由于快速凝固而形成的独特的过饱和碳，在后热处理过程中转化为额外的纳米碳化物沉淀物，这些沉淀物均匀分布在整个基体中。
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多材料激光粉末床熔融 (PBF-LB) 通过将多种材料组合成复杂的形状，提供了新的设计机会。然而，对于热性能、物理性能或弹性性能差异较大的组合，避免界面缺陷具有挑战性。
将铜合金与不锈钢相结合对于某些区域需要高导热性/导电性以及其他区域需要高强度和耐腐蚀性的部件很有吸引力。通常，3D打印的样品表现出明显的混合和两种类型的缺陷：CuCrZr 中的孔隙度和界面附近的钢裂纹。根据 的市场研究，瑞士ETH苏黎世联邦理工学院通过热等静压与激光粉末床熔合耦合，开发了制造无缺陷铜钢复合材料新策略。
▲ 热等静压HIP与激光粉末床LPBF耦合
© ETH
多材料增材制造工艺能够创建具有复杂几何形状的双金属结构，这是其他方法无法制造的。例如，将铜合金和不锈钢合并到单个组件中可以利用铜的高导电性和导热性以及钢的机械强度和耐磨性。这种集成可用于发电、传热和电子等多个领域。
▲ 超材料
© 白皮书
条条大路通罗马
此前，来自苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴率先在多材料激光粉末床融合中使用激光束整形， 通过深入研究铜钢组合，解决了界面处的脆化现象，即铜污染裂纹 (CCC)，将界面处的材料混合限制在几十微米内。与传统的高斯光束激光器相比，这不仅显着减少了界面缺陷，而且改变了多材料结构的微观结构。而近日，苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴又开发了另外一种制造无缺陷铜钢复合材料新策略。
这一次，苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴通过热等静压 (HIP) 通过闭合毛孔和愈合裂纹有效解决了无缺陷铜钢复合材料的制造挑战。HIP热等静压后保留了非常细小的晶粒结构，事实证明，局部保留粉末未熔化并通过热等静压闭合，是通过 PBF-LB 生产无缺陷 316L-CuCrZr 零部件的成功策略。
根据 《金属与金属 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》一文，传统的钢-铜 多材料 组件制造包括以下步骤：焊接、热轧和复合铸造。然而，多材料AM-增材制造技术可以在优化的工艺条件下一步生产出机械性能得到改善的 316 L/CuSn10 不锈钢铜合金组件，并防止界面处出现裂纹且实现晶格设计，这在传统制造方法中是不可能的。
苏黎世联邦理工学院及其合作伙伴的目标是探索将 MM-PBF-LB 与随后的热等静压 (HIP) 处理相结合的潜力，以便制定创新策略来提高技术应用中异种材料组合的完整性和功能性。特别是，表征并讨论了 PBF-LB激光选区熔融3D打印与HIP热等静压结合对零件界面的微观结构、完整性和局部机械性能的影响。
结论
苏黎世联邦理工学院及其合作伙伴发现，就生产的 CuCrZr-316L 复合材料零件的完整性而言，PBF-LB HIP 后处理可有效闭合多材料 PBF-LB 后 CuCrZr-316L 铜合金与不锈钢结合界面附近可见的众多裂纹和孔隙。
机械性能受HIP处理的影响，尤其是 CuCrZr 的机械性能。经过PBF-LB激光选区熔融3D打印加工后，由于旋节线分解形成的细铁颗粒和局部非常细的晶粒尺寸的综合强化作用，靠近316L不锈钢界面的CuCrZr铜合金硬度高于块体的硬度。HIP热等静压处理后，由于残余应力的消除以及 Cr 和 Zr 的沉淀，观察到CuCrZr块体的硬度总体下降。然而，CuCrZr 在靠近与钢的界面处仍然较硬，因为在 HIP 过程中保留了细晶粒结构，这被认为是由非常细的富含 Cr 和 Fe 的沉淀物的晶界钉扎效应引起的。除了机械性能之外，值得一提的是，在PBF-LB激光选区熔融3D打印快速冷却过程中，固溶体中捕获的元素的沉淀对于寻求高导电性或导热性的应用是有益的。
与界面完全熔化相比，在靠近316L不锈钢界面处留下一定的未熔化 CuCrZr 粉末似乎在 HIP 后不会产生明显的机械性能差异。这种策略对于在两种材料之间创建更清晰的界面仍然很有趣。
在工业环境中，与单独的PBF-LB激光选区熔融3D打印相比，额外的 HIP热等静压处理可能会增加生产成本和时间。然而，对于需要极低残余孔隙率的应用（例如航空航天工业），HIP热等静压处理已成为常见做法。此外，如果进行后续的HIP热等静压处理工艺，可以通过使用更高的层厚度和扫描速度来加速打印过程，从而降低成本，因为只要闭孔率满足，3D打印后就没有必要追求100%的密度。
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络， 为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注 发布的白皮书系列。
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与 L/E-PBF 粉末床熔融金属3D打印工艺相比，在 MBJ 粘结剂喷射金属增材制造工艺中，金属颗粒不是通过能量输入来熔合的，而是使用液体粘合剂简单地粘合，接下来是所谓的生坯部件的脱脂和烧结，从而去除粘合剂，金属颗粒通过扩散过程进入金属键并形成几乎致密的成分。
尽管通过MBJ 粘结剂喷射金属增材制造降低组件的制造成本是可能的，而且医疗技术尤其为MBJ 粘结剂喷射金属3D打印工艺提供了许多有前景的应用，但这一突破尚未实现。 不仅MBJ 粘结剂喷射金属3D打印工艺所需要的必要的投资成本仍然与成熟的 L/E-PBF 粉末床熔融金属3D打印系统相当，而且还缺乏针对钛等生物材料的医学认证工艺路线，以及合适的粉末调理策略，缺乏直接使用MIM粉末将粘合剂喷射集成到相应的工艺路线中。
▲ 粘结剂喷射3D打印
© Fraunhofer IAPT
从干燥到更好的3D打印
德国弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所及其研究合作伙伴,利用统计实验设计研究了提高流动性的不同粉末干燥策略。由于其与医疗应用的相关性，尺寸分布低于 25 μm 的球形 Ti-6Al-4V 粉末在各种参数下使用真空和气体吹扫进行干燥。研究的参数、时间和温度是在具有十一个测试和三个中心点的中心复合边界测试计划中选择的，分析了粉末的目标参数——水含量、流动性和杂质水平（氧、氮）。为了进行验证，在工业粘结剂喷射系统上进行了实际测试试验，对于所研究的粉末，确定了在 200°C 下持续 6 小时的优化干燥周期。组件的尺寸精度（从 ±1.5% 提高到 0.3%）和粉末床的视觉效果得到显着改善。
目前生物医学应用和假肢最相关的材料是钛及其合金，因为它们具有生物相容性、无毒等特性以及良好的机械性能。与 L-PBF粉末床激光熔融或 E-PBF 粉末床电子束熔融等基于熔融的增材制造技术相比，MBJ粘结剂喷射金属3D打印工艺在钛合金制造方面显示出明显的优势，特别是在创建个性化生物医学设备方面。举例来说，目前治疗手指关节疾病的形式，无论是类风湿性关节炎还是外伤，通常都会导致关节僵硬。此前，弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT开发了一种方法，可以生产在生物力学负载方面高要求的小型且精细的个性化植入物。根据 的了解，Fraunhofer IAPT 采用的增材制造技术是基于粘结剂的3D打印制造技术。
© 白皮书
显著提高生坯的质量
无需支撑结构即可生产特别复杂的零件，与L-PBF粉末床激光熔融和E-PBF粉末床电子束熔融相比，MBJ可以避免热应力，防止形状变形和开裂，并且不会引起不良的微观结构特征或材料损失，确保高材料回收效率和成本效益，特别是对于昂贵的材料。尽管有这些优点，但关于钛及其合金以及细 MIM 金属注射成型用金属粉末用于MBJ 粘结剂喷射金属3D打印工艺缺乏全面的研究。
德国弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所目前工作的目的是比较不同的干燥策略，研究相关性，特别是与所研究粉末的流动性有关的相关性，并找到优化的调节策略，当前的发现如下：
较长且较温暖的干燥时间可改善流动性并降低水含量的假设是可以接受的。分析干燥模型后，确定了 200 °C 下 6 小时的优化干燥周期。
可以说，Ti-6Al-4V粉末的调质工艺显着提高了其流动性。初次使用前，建议干燥新粉末。由于交付和储存时间不确定，新粉末中的水分含量可能会有很大差异。干燥粉末可以显着提高生坯的质量，特别是表面纹理和尺寸精度。
干燥调节还有助于减少3D打印过程错误。值得注意的是，调节时间的影响比温度的影响更明显。
弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所下一步工作的主题将包括研究开发的调节策略如何影响材料的再利用。可以证明，对于单独的干燥循环，氧气或氮气没有增加。总体而言，对于MBJ粘结剂喷射金属3D打印工艺所使用的钛及其合金的回收利用还缺乏深入的研究，通过建立粉末调节和钛粉末再利用的具体指南，MBJ粘结剂喷射3D打印技术可以提高材料效率，而不必冒牺牲组件可靠性的风险，特别是在用于医疗组件制造的情况下。
论文：
Influence of Different Powder Conditioning Strategies on Metal Binder Jetting with Ti-6Al-4V
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根据瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 工程学院机械冶金实验室 (LMTM) 的研究人员报告，他们发现可以根据增材制造机器在构建制造过程中的声音差异来实时检测缺陷。
© 白皮书
L-PBF选区激光熔融3D打印和 L-DED激光定向能量沉积3D打印过程中激光和原材料之间潜在的热相互作用比较相似，因为它们都依赖激光为粉末提供热量，通常将其完全熔化以形成熔池。 然后熔池在先前的层或基底之上凝固以形成所需的形状。 显然，这些过程的加工参数设置存在显着差异，因此需要采用不同的监测方法。
-《增材制造的过程监测 l 基于激光的金属增材制造过程监控和机器学习》
用于在 L-PBF增材制造过程中监听构建缺陷的实验设置
© 瑞士洛桑联邦理工学院
掌握难以捉摸的变化
据称，当前的热成像和机器学习算法等传统监测方法存在很大局限性，经常忽视或误解缺陷。据说这使得增材制造用于精密制造变得难以捉摸，并可能限制其在航空和汽车制造等重要行业的使用。
根据瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 工程学院机械冶金实验室 (LMTM) 负责人Roland Logé教授，关于激光增材制造声学监测的可行性和有效性，一直存在争论。洛桑联邦理工学院的研究不仅证实了声学监测的相关性，而且还强调了声学监测相对于传统方法的优势。
这项研究对于工业部门非常重要，声学监测或将成为一种经济高效的解决方案来监控和提高通过激光束粉末床熔融 (PBF-LB) 制造的产品的质量。
根据 《增材制造的过程监测 l 基于激光的金属增材制造过程监控和机器学习》一文，声学监测是依靠声波的传播来提供有关构建质量的信息。声发射的记录和分析是传统工业中用于检测裂纹、腐蚀开始和状态验证的成熟监测技术。声学监测系统可以是被动的，仅检测制造过程本身产生的声波，也可以是主动的，产生声波穿过目标并返回接收器。零件内的孔隙、裂纹或未熔化的粉末等缺陷会改变这些波的传输，从而导致可以在记录的信号中检测到的变化。
超声波传感器是有源传感器的一个例子，多年来一直广泛用于故障分析、疲劳监测和传统制造领域。通过读取表面上产生的声波并检测可能发生的变化来预测缺陷的存在。通过基于 CNN 的算法的输入，鉴定L-PBF选区激光熔融金属3D打印过程中的孔隙率。
然而，这种类型的传感器无法在生产过程中调查构建的熔池区域。此外，大多数L-PB构建室几乎没有可用空间来在构建室内集成这类设备。为了克服这个限制，此前，科研人员建议可以将该传感器集成到现有的L-PB构建室机器光学系统中，这意味着可以使用现有的激光制导设备在层之间进行测量。
自适应滤波技术
瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队制定的一项实验设计是将操作 X 射线成像实验与声学测量相结合。使用位于构建室内的超灵敏麦克风，精确定位了状态转变期间声学信号的明显变化，从而直接识别制造过程中的缺陷。
信号处理专家Giulio Masinelli引入了自适应滤波技术，这种过滤方法使瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队能够以无与伦比的清晰度辨别缺陷与伴随的声学特征之间的关系。
典型的机器学习算法擅长从统计数据中提取模式，但通常针对特定场景进行定制，与此不同的是，瑞士洛桑联邦理工学院的方法提供了对熔化状态物理的更广泛的见解，同时提供了卓越的在时间和空间维度上的精度。
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洛桑联邦理工学院的这些发现预计将对潜在的工业应用产生重大影响，特别是在航空航天和精密工程领域。据说该研究强调了一致的制造技术的必要性，并提出了早期发现和纠正缺陷的途径，从而提高产品质量。这项研究为更好地理解和完善制造工艺铺平了道路，并最终将带来更高的产品长期可靠性。
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近日，上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队在增材制造复合材料疲劳与缺陷容限评价方面在International Journal of Fatigue期刊发表题为“Fatigue performance of laser powder bed fusion manufactured TiB2 / AlSi10Mg composite: Experimental investigation and fracture mechanics-based life prediction model for defect tolerance analysis (Int. J. Fatigue 2024, 180：108100)”学术论文。
该论文对比分析了激光粉末床熔融增材制造(LPBF)的纳米陶瓷颗粒增强的AlSi10Mg复合材料疲劳性能，根据断后分析结果提出了基于断裂力学的寿命预测方法，并结合CT扫描结果建立增材制造缺陷容限相关评价准则。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142112323006011
相比传统材料，增材制造(Additive Manufacturing)材料中的缺陷呈现出数量多、空间分布广、尺寸范围大的特点。现有研究表明即使通过工艺优化及后处理也无法做到完全消除。
快速制造拥有复杂几何特征的结构是增材制造技术的独特优势，但由于缺陷的存在且缺乏相关定量化的疲劳强度评定，一定程度上制约了增材制造技术在承受循环载荷零部件上的工程应用。为此通过断裂力学理论建立缺陷容限的设计评价准则，以回答增材制造过程中的缺陷在特定使用条件下是否可被“容忍”。
图1 论文图文摘要
上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队的研究表明：
(1) PBF增材制造制备的TiB2/AlSi10Mg复材的疲劳性能在R=0.1室温条件下，其疲劳性能明显优于其他LPBF-AlSi10Mg合金以及SiC或WC/AlSi10Mg复材, 与文献报道的LPBF-AlSi10Mg合金相比，TiB2/AlSi10Mg复材的疲劳极限存在约50%的提升。
(2)提出了一种基于断裂力学的寿命预测方法，通过输入缺陷尺寸位置以及外加载荷等信息，可快速预测其疲劳寿命，精度可达。但绝大部分预测结果属于适度保守，具有一定工程意义。
(3)通过将达到疲劳极限的样品进行CT分析，进一步检验了寿命预测模型的准确性。同时结果表面内部缺陷的等效直径即使达到85μm也不引起破坏。而近表面缺陷等效直径仅为18~25μm也已经发生了微小裂纹扩展，但该裂纹并未在达到目标循环数之前引起全局失效，故这类缺陷是可以被“容忍”的。最后针对试样截面及载荷，提出依据空间的寿命分布图。
图2 3D渲染后的#1-F-28(, N cycle)的大缺陷：(a)大缺陷的位置; (b)(c)大缺陷的具体信息
图3 3D渲染后的#1-F-28(, N cycle)的缺陷：(a)(b)(d)(e)亚表面缺陷; (c)亚表面缺陷位置（为提升分辨率采取了局部放大）
来源 l 材料疲劳CFS
论文引用信息：
Yi Shi, Qing Lian, Hua Sun, Chan Wang, Wenwang Wu, Michele Chiumenti, Didi Yang, Zijue Tang, Haowei Wang, Yi Wu, Hongze Wang,Fatigue performance of laser powder bed fusion manufactured TiB2/AlSi10Mg composite: Experimental investigation and fracture mechanics-based life prediction model for defect tolerance analysis,International Journal of Fatigue,Volume 180,2024,108100,ISSN 0142-1123,
https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.108100.
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激光粉末床金属熔融 (LPBF) 的挑战之一是控制小孔的形成，这是由于金属3D打印加工过程中局部过多的能量输入造成的。为了消除激光粉末床金属熔融LPBF处理过程中的深匙孔型缺陷， 观察到瑞士洛桑联邦理工学院等研究机构一起合作在专为操作同步加速器X射线测量而设计的小型化LPBF设备中实施并测试了一种新方法，修复策略包括用正散焦激光束重熔顶部表面，同时保持相对较低的归一化焓值。这允许获得传导模式熔化状态，但足够深以到达先前产生的小孔。
Additive Manufacturing
Available online 16 November 2023, 103880
小孔的挑战
激光粉床熔融 (LPBF) 是一种增材制造 (AM) 工艺，依靠激光根据三维CAD模型选择性地熔化连续的金属粉末层。 LPBF激光粉床熔融3D打印工艺的优势是能够生产复杂的几何形状，同时最大限度地减少交货时间和材料浪费。 尽管有许多优点，但该过程仍然面临一些限制。 特别是，缺陷的随机形成仍然是一个主要问题，因为它会导致机械性能下降，这阻碍了LPBF 在关键应用中更广泛的工业化采用。
小孔缺陷可能导致零件的机械性能下降，通常在加工后通过非破坏性质量检查程序和孔隙去除处理来检测和去除。而在LPBF金属激光粉末床熔融增材制造工艺过程中监测和控制缺陷的形成可以避免此类耗时且成本高昂的后处理阶段。
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来自瑞士洛桑联邦理工学院等研究机构一起合作开发了一种新方法，使用正散焦激光束和微调的激光重熔工艺参数，对深孔进行原位修复。加工区域的同步辐射图像是在激光重熔过程中获取的。使用操作成像可以实现加工过程中孔隙去除的可视化，并揭示各种重熔条件对愈合效率的影响。研究人员通过高灵敏度光学麦克风记录激光重熔过程中产生的声信号，并与 X射线图像并行分析，从而识别缺陷愈合的声信号，首次证明机载声学传感器可用于监测 LPBF 激光粉末床金属3D打印过程期间锁孔的愈合情况。
光学方法的一个显着局限性是它们不能捕获发生在表面下方、熔池底部或小孔凹陷区底部的现象。作为这些光学技术的补充，声发射 (AE) 分析已被用作一种低成本且稳健的监测技术，提供有关整个材料体积（而不是顶部表面）中发生的激光与材料相互作用的信息。空气中的声音信号是由熔池附近产生的气压和冲击波引起的。换句话说，在这个过程中产生的蒸气或等离子体越多（即通过增加能量输入或从传导到匙孔状态），发射的空气声信号就越强。
此外，LPBF激光粉床熔融增材制造完成后通常会进行热等静压 (HIP)，通过长时间施加高压和高温来减少孔隙率。不过这类后处理检查技术和处理方法昂贵、耗时，并且存在一些局限性。例如，热等静压后暴露于高温时，含气体的孔隙可能会重新生长，从而对最终的机械性能产生负面影响。
根据 《NASA长寿命增材制造装配 (LLAMA)项目从故障中吸取的教训》一文，也说明了HIP热等静压不是万能的，在一次失败的测试中，NASA在来自腔室的微拉伸试样中观察到颗粒状表面、未熔化的颗粒和不规则的孔隙，HIP热等静压并没有完全消除这些缺陷。
HIP对于去除开放毛孔的效率也很低，这些凸显了LPBF激光粉床熔融增材制造过程中实现完全致密零件的重要性。为此，选择一组适当的LPBF工艺参数至关重要，这些参数在很大程度上决定了熔池的几何形状、稳定性以及未熔融和匙孔的形成。研究发现，基于归一化焓变的模型可用于预测从传导到匙孔熔化模式的转变，从而最大限度地减少增材制造加工过程中孔隙的形成。
不过，小孔缺陷通常位于表面下方较深的位置，因此重熔池的渗透可能不足以去除此类孔。此外，最重要的是避免在重熔过程中产生新的小孔，其深度与原始空隙的深度相同或更深。为了实现足够的重熔深度以进行愈合，同时确保传导模式以避免形成新缺陷，用于熔化缺陷层的参数不能在重熔周期中重复。
在这种情况下，激光束的散焦可以用作附加的参数自由度和更好地控制熔池尺寸和加工方式的工具。负散焦（即会聚光束）倾向于有利于匙孔模式和相关的孔隙形成，而正散焦（即发散光束）更倾向于诱导稳定的传导状态。通过积极散焦光束并调整激光功率（或扫描速度）以保持适当的标准化焓变，可以生成更大更深的熔池，这为气泡逸出提供了更多机会。
理想情况下，为了提高 LPBF 工艺的可靠性和稳健性，通过微调重熔参数去除缺陷必须与缺陷形成和去除的实时工艺监控相结合。这不仅可以检测锁孔缺陷的发生并确定是否需要进行局部原位愈合，而且还可以确认愈合是否正确完成。
来自瑞士洛桑联邦理工学院等研究机构将零件质量的过程控制（通过激光重熔）与基于机载 AE 的监控相结合。使用高灵敏度光学麦克风记录激光重熔过程中产生的声信号，同时获取加工区域的射线照相图像。同步加速器 X 射线成像是一种强大的无损技术，可用于对过程进行操作观察，从而可视化地下熔池动态并揭示 LPBF 期间发生的潜在物理现象。可以记录熔池和凹陷区的几何变化、缺陷形成和副产品排放（例如飞溅）等特征，而不会干扰过程。在这里，AE 信号与 X 射线射线照相采集的图像并行分析，以识别锁孔去除的声学特征。
第一个目标是开发一种原位修复毛孔的新策略，X 射线成像可以用于研究使用散焦激光束重熔时孔隙消除的机制，并评估关键重熔参数对愈合效率的影响。
第二个目标是展示使用AE监测激光重熔过程中缺陷愈合发生情况的潜力。为此，AE信号与 X 射线图像在时间上对齐并进行分析，以确定用于孔隙修复的潜在声学特征。因此，来自瑞士洛桑联邦理工学院等研究机构的研究有助于提高 AE作为LPBF监控技术的成熟度，而且这次不需要机器学习 (ML) 算法。
过程监测与过程控制的技术发展
根据 的市场观察，市场上对熔池监测采取了各自的监测方式，例如EOSTATE Exposure OT监测系统包含一台高速高分辨率sCMOS相机，它能够以“近红外范围”的波长频道收集打印过程中金属材料熔化产生的信号数据。然后，监测系统的软件程序会分析处理这些被收集的信号，按照一定算法判定某一区域的信号值是否落在设定的“正常范围”之外，并将相应的“异常点”标记出来。监测数据量的增加使得以更高精度识别各种因素对零件质量的影响成为可能。EOSTATE Exposure OT 监测系统可以减少无损检测或有损检测等后期产品质量检测，从而降低产品批量生产的质量检测成本。此外，该监测系统还具有过程监控和记录功能。
根据《案例 l 透过火箭燃料箱增材制造挑战，理解智能控制技术的价值》一文，多年来 ，粉末床激光选区熔融 (L-PBF) 金属增材制造已从关键应用的原型设计发展到批量生产，并不断面临生产更复杂的几何形状、 满足更高的质量要求及产量需求的挑战。
为应对这些挑战，业界不仅需要创新的机器硬件，而且需要改进曝光策略并引入新的软件功能。这其中，使用来自EOSTATE Exposure 光学断层扫描 (OT) 监控系统的图像来确定最佳能量输入，从而管理零部件的热特性，工业级增材制造设备企业EOS的成型控制软件—Smart Fusion闭环智能熔融技术将工艺监测提升到了全新水平。
此外，在过去的十年中，已经报道了各种激光熔化监测技术。一方面，空间集成光学传感器，例如光电二极管和高温，它们的低成本、高灵敏度、稳健性和高数据采集率使它们具有优势。另一方面，空间分辨光学传感器（例如红外和高速相机）可以测量熔池尺寸、形状和温度分布。
根据 《光学相干成像技术在激光加工过程实时监测与控制中的应用研究进展》一文，光学相干层析成像(OCT) 技术允许检查零件表面并解读加工参数的影响和理解扫描策略对表面粗糙度的影响，是一种在激光增材制造领域有应用潜力的新型原位检测技术。随着这些过程监测系统对激光金属增材制造的进一步探索，人工智能-机器学习算法很可能被用于辅助样本的分类和预测。
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认为不难看出，在不久的未来，所有的当前市面上的激光粉末床熔融 (L-PBF) 设备都将朝向智能化方向发展，否则因3D打印结果的难以预测和质量稳定性的控制挑战所带来的浪费将使得这一技术困在“半山腰”上，而过程监测与原位修复将是智能化增材制造技术角逐的一大聚焦点。
参考论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860423004931?via%3Dihub
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多年来 ，粉末床激光选区熔融 (L-PBF) 金属增材制造已从关键应用的原型设计发展到批量生产，并不断面临生产更复杂的几何形状、 满足更高的质量要求及产量需求的挑战。为应对这些挑战，业界不仅需要创新的机器硬件，而且需要改进曝光策略并引入新的软件功能。
在过去，工艺监测主要用于识别成型过程中的中断问题，然后将其与零部件特性相关联。这些数据还可用于改进工艺参数或零部件方向，以便进行零部件成型的下一次迭代。
如今，工业级增材制造设备企业EOS的成型控制软件—Smart Fusion闭环智能熔融技术将工艺监测提升到了全新水平。近日，EOS 在《Smart Fusion实践指南》中揭示了这一技术。
© EOS
Smart Fusion技术工作原理
Smart Fusion 软件使用来自EOSTATE Exposure 光学断层扫描 (OT) 监控系统的图像来确定最佳能量输入，从而管理零部件的热特性。
Smart Fusion 闭环智能熔融技术可用于生成此前无法成型的几何形状 ，从而明显改善成型能力，且不会对成型时间和材料特性产生任何负面影响。此外 ，Smart Fusion 可以显著减少支撑结构 ，从而缩短成型时间、 后处理时间并减少材料浪费 ，使基于LPBF 工艺的直接金属激光熔融(DMLS) 增材制造技术更具可持续性。
EOSTATE Exposure OT 可⽤于监测零部件每⼀层的热⾏为。然后，控制器会确定维持均匀热分布所需的激光功率校正因⼦。在下⼀层中，会考虑这些校正因⼦，并相应地调整激光功率。这⼀过程将以约100 µm的极⾼光学分辨率逐层重复。因此，获得正确零部件所需的迭代次数将减少到1，并且能够尽可能减少⽀撑结构。
案例
零部件的一般信息及挑战
EOS Smart Fusion 闭环智能熔融技术实现工艺改进的典型案例之一是在 EOS M 300-4 金属增材制造系统中用Ti6Al4V钛合金生产Launcher火箭燃料箱。
该燃料箱是航天器推进系统的关键组件，用于储存推动航天器进入太空的燃料。为进入太空，需要使用八个燃料箱为轨道卫星运载 工具和平台提供燃料。图1显示了通过EOS 技术增材制造的燃料箱模型以及连接在 EOS M 300-4 成型基板上的成型零部件。
图1. Launcher燃料箱：增材制造模型、 3D打印零部件和带有切割盖的成品零部件。
该零部件的成型主要面临两个挑战：燃料箱盖具有10°- 0° 的悬垂角度，以及需要尽可能少地使用支撑结构来生产该零部件。必须在满足所有功能要求的同时解决这两个挑战 。该燃料箱的直径为290mm，高度为400mm ，需要利用 EOS M 300-4 增材制造系统的全部成型空间。
其壁厚小于3mm，在变形和几何精度方面十分具有挑战性。
图2 显示了该燃料箱的内部截面-无支撑结构的悬垂部分以黄色 （ 10 度） 和红色 （0 度）高亮显示。
图2 Launcher 燃料箱的横截面视图 – 查看盖子的内部。黄色表示燃料箱的 10 度悬垂部分 ，红色表示燃料箱的 0 度闭合部分。
成型工艺
EOS 的Smart Fusion 闭环智能融合工艺改进了热管理，可在不产生人为延迟的情况下生产燃料箱 ， 并且可以构建无支撑的10°-0 ° 悬垂部分 ， 而标准工艺只能构建30至40度的悬垂部分且在照射期间会产生额外的处理延迟。该燃料箱的支撑结构只是为了将其固定在基板上。
测试结果显示，其表面光洁度均匀，没有开放的表面孔隙且几何形状稳定 ， 如图3所示。
图3. 燃料箱的内壁表面和横截面。
Smart Fusion 闭环智能熔融是全新的增材制造解决方案，可解决工程师和业界所面临的多种挑战。借助该技术，工程师能够构建难以成型的几何形状、减少浪费并提高成品质量。这项新技术将在未来得到进一步发展、为行业带来更大便利，并使工程师能够创造出更加创新和复杂的设计。
→ 构建难以成型的几何形状
借助Smart Fusion，工程师能够设计和制造具有复杂几何设计的零部件 ，例如极端的悬垂结构、 极薄的内壁或圆顶结构 ，从而开辟全新的应用领域。
→ 对成型时间没有负面影响
与其他解决方案不同，Smart Fusion不会影响成型时间。Smart Fusion 不会产生额外的等待或冷却时间。
→ 提高机器利用率
Smart Fusion 减少了对支撑结构的需求，从而提高了机器利用率， 可以更高效地利用资源并降低生产成本。
→ 减少浪费
通过减少对支撑结构的需求，Smart Fusion 还减少了制造过程中产生的废物量，既环保又具有成本效益。
→ 灵活设计
借助 Smart Fusion，工程师可以更加灵活地进行设计。这意味着可以针对更多应用开展生产制造并实现积极的业务案例，同时可以在不改变设计的情况下使更多传 统应用变得更加可行。
→ 缩短产品上市时间
Smart Fusion 包含自动化功能，可帮助工程师更快地找到正确的参数 ， 从而缩短 新产品的上市时间，这对于需要保持竞争力的企业而言至关重要。
→ 降低单件成本
(CPP) 使增材制造对于供应链整合更具吸引力。该技术因此将在制造业中得到更广泛的采用和更广泛的使用。
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络， 为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注 发布的白皮书系列。
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L-PBF选区激光熔融金属3D打印是一个复杂的过程，特别是，制造高质量、无缺陷的薄壁或通常厚度小于 200-300 μm 的薄特征非常充满挑战。此外，冲压等传统制造方法已证明能够制造典型厚度范围为46至200 μm的板翅结构。
然而，当前增材制造尚未达到大规模生产开发高性能换热器所需的这些关键属性所需的技术成熟度和生产质量。热应力会导致薄部件出现裂纹和完全破损。此外，在以复杂几何形状为特征的薄截面管道的情况下，管道的可行性可能会因附着于内壁的粉末的夹杂物而受到损害。这转化为内表面粗糙度的增加和热交换性能的降低。此外，在设计通过增材工艺制造的组件时，还必须考虑增材工艺自身的局限性。
结合《Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review》这篇论文， 将分享航空航天应用中热交换器3D打印的当前技术挑战。
3D打印换热器的优势
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根据 ，换热器与散热器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用，3D打印用于换热器和散热器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。
换热器的薄壁特征制造
当前L-PBF选区激光熔融金属3D打印尚不适合保证薄壁生产的可重复性。特别是，精度误差随着制造部件的厚度尺寸的减小而增大，已发现水平面和垂直面的截面之间存在显着的尺寸变化。此外，已经观察到，随着3D打印壁厚的增加，壁的变形减少。
图. L-PBF工艺参数对薄壁生成的影响；a) 工作中研究的几何形状的示意图；b) AM增材制造工艺不同扫描策略的示意图；c) 通过μSCT计算增材制造薄壁不同材料的孔隙率。
在一个研究案例中，根据所选参数，观察到主要在采用单一激光扫描方法时出现明显的熔合缺乏。研究的三种材料（即 Ti6Al4V、Inconel 718 和 AlSi10Mg）的壁厚均一致，约为 100 μm。此外，AlSi10Mg 和 Ti6Al4V 成功生产了 60° 的最大倾斜角，而 Inconel 718 只能实现 45° 的倾斜角。研究评估了每种扫描策略与热和收缩问题、倾斜角度和壁尺寸控制因素之间的相关性。使用CT扫描技术分析孔隙率，并开发与激光功率和扫描速度相关的薄壁制造工艺图。最后，对表面质量进行了分析，发现倾角与材料之间存在直接关系。
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研究显示了寻找最佳工艺参数以同时提高特征的尺寸精度和总体质量的挑战。因此，一般来说，通过L-PBF选区激光熔融金属3D打印工艺构建薄特征特别困难，并且仍然是科学界的一个挑战。
除粉
增材制造换热器的另一个重要挑战是复杂内部通道的清洁。在进一步的后处理操作和完成制造过程之前，需要去除通道中截留或烧结的粉末。大多数优化的换热器的通道没有开口或出口，因此粉末去除成为一个挑战。
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第一种方法可以设计通道连接点上的一系列孔，以便于在工艺结束时去除粉末。使用超声波技术清洁粉末，再通过激光束焊接封闭孔。
图 . 除粉方法。a）第一种方法：重新设计组件；b）第二种方法：使用后处理策略
需要注意的是粉末状的金属材料，其与水或空气接触容易发生反应，例如铝及其合金，铝与水反应产生氢气从而引起爆炸。科学研究发现，该反应的结果可能是气态氢的大量积累，即使是小浓度的材料。
特别是，对于通过增材制造生产的换热器，研究开发的注意力集中在表面粗糙度、微通道和薄壁、表面几何形状、层流或湍流行为、腐蚀以及最终的热效率。用于飞机发动机的换热器在 200 °C 左右的温度下运行，并且不会承受非常高的负载。因此，它们不需要高机械性能，但需要适合散热的表面和几何性能。随着增材制造工艺的技术进步，可以提高表面质量并实现小厚度的精度，不过目前距离完全掌握这些特性还有一定距离。
无泄漏
无泄漏特性对于在紧凑的高性能换热器中增加不同温度下两种流体之间的热交换至关重要 。增材制造减少了泄漏风险，因为它消除了组装各种薄型部件的制造步骤。然而，它也具有由于形成缺陷（例如孔隙率和层结合不充分）而可能造成损失的缺点。诸如孔隙和空隙之类的缺陷使得流体可以从这些薄弱的结构点中逸出，与第二液体混合。
特别是，考虑到薄特征的制造，一个小缺陷可能会损坏整个组件。尽管航空航天领域对薄型新型紧凑型换热器的兴趣日益浓厚，但泄漏问题的研究尚未引起科学界的关注。
了解到市场上开发了新系统，旨在通过连续过程消除3D打印材料内的内部孔隙，即所谓的真空浸渍系统。最初，将组件浸入树脂浴中，同时放置在高压釜内。随后，产生真空以排出部件中的空气，从而促进树脂进入空隙。
表面粗糙度被认为是金属增材制造生产的不同类型换热器配置中最重要的特性。粗糙度起着双重作用，因为它影响所产生的特征（管道、壁）的实际尺寸和流体的行为。通常，高粗糙度意味着制造尺寸与预期设计存在显着偏差，特别是当尺寸接近增材制造机器的制造极限时，与传统制造的翅片和通道相比，通道的高内部粗糙度会增加压降和湍流行为。
另一方面，传统制造和增材制造之间的传热性能在大多数情况下是相当的。低粗糙度可以改善热交换性能，并且还解决了不同材料（钢、铜和铝）的影响。根据研究，表面和材料都会影响传热和压降。许多研究的目标是优化增材制造技术的参数，以定制表面粗糙度的增材制造过程。
疲劳性能
增材制造材料的疲劳性能一直是广泛研究主题，微观结构、残余应力和表面粗糙度等多种因素都会影响任何材料的疲劳寿命。特别是，研究集中在增材制造中常用的特定金属和合金，例如钛合金、不锈钢、铝合金和镍基高温合金。
由多个复杂且薄的特征组成的换热器的疲劳行为受到其他几个因素的影响。高温下的循环载荷和升高的工作压力的结合可能会引起结构问题。 了解到近年来，热交换器疲劳的评估主要依赖于数值模拟。
此外，广泛的研究表明，表面粗糙度升高会对增材制造的薄特征的疲劳性能产生不利影响。然而，这些限制可以通过各种后处理处理来缓解，包括热等静压（HIP）、机械加工和热处理。然而，对增材制造工艺参数、微观结构、缺陷和后加工处理的影响的全面了解仍然不完整。正在进行的研究重点是进一步表征和增强金属增材制造薄特征的抗疲劳性和可靠性。
耐腐蚀性能
腐蚀是影响换热器的一个主要问题，腐蚀可能由多种因素引起，包括环境传导、使用的流体以及磨损和侵蚀。在换热器的使用寿命期间，腐蚀故障非常常见，并且维护和维修成本可能相当长且昂贵，特别是当涉及航空航天领域使用的空油紧凑型换热器，这些部件特别容易受到恶劣的环境条件的影响，特别是在海上和远洋航线上，高浓度的盐雾会加速金属的降解速度。因此，对腐蚀现象的研究以及对保护暴露表面的传统和创新方法的探索正在进行中。特别是，后热处理、表面精加工和涂层处理对增材制造材料腐蚀行为的影响现在得到了广泛的评估。
热处理
由于L-PBF选区激光熔融金属3D打印过程中的固有现象，所生产的部件需要进行后热处理以改善材料的性能。一般来说，通过增材制造生产的预制材料（热处理前）的显微组织和机械性能不如通过传统铸造或锻造制造技术生产的材料。AM增材制造工艺的特定热循环的特点是由激光引起的突然加热，然后是快速冷却和第二次熔化，同时涉及下一层以及下面和先前固化的层的重熔化。这些热循环在 L-PBF 工艺的每一层的形成过程中都会重复，并导致较大的热梯度，从而在组件上形成残余应力。如果达到的应力水平很高，则可能会发生零件几何形状的变形，从而导致产品损坏和故障。
使用后热处理来松弛残余应力仍然是科学和工业领域最常用的解决方案，增材制造后热处理会大幅降低位错密度，从而显着降低残余应力。
L-PBF选区激光熔融金属3D打印零件的热处理也广泛用于提高其他材料性能，例如机械性能以及耐腐蚀和耐磨性。对增材制造的材料进行后热处理可提供与传统材料相当甚至优于传统材料的性能。均质化和固溶处理使微观结构均匀，并使增材工艺典型的细长树枝晶晶转变为等轴晶粒。并且还允许偏析合金元素的扩散。通过时效处理，会形成沉淀物，这有助于提高材料的机械性能。此外，热处理过程中会发生氧化现象，在多种材料上形成保护性氧化层。这有助于提高耐腐蚀和耐磨性方面的性能。
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以下文章来源于结构完整性联盟 ，作者Sandra Megahed
激光粉末床熔融（LPBF）是增材制造（AM）技术中的一种，具有设计自由度高、成型速度快等优点，并且能够得到致密度高、常温性能优异的构件，因此，近些年被广泛运用于镍基合金、不锈钢以及钛合金中。但是，由于增材制造成型微观结构的不均匀性，3D打印构件通常具有明显的各向异性，阻碍了构件在工程上的大范围应用。
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目前主要对于LPBF 3D打印材料的研究集中于对常温下的力学性能方面的研究，但考虑到镍基合金在燃气工业中的应用，3D打印材料的高温性能评估也是必要的，而蠕变作为高温下最常见的失效形式之一，针对3D打印材料蠕变性能方面研究的试验及分析是必不可少的。
因此，德国达姆施塔特技术大学的研究团队在’ Influence of build orientation on the creep behavior of IN738LC manufactured with laser powder bed fusion’一文中对3D打印材料在高温蠕变试验中各向异性行为进行充分测试和分析，以提高3D打印材料应用时的可靠性。本期谷.专栏将简要分享该科研成果。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509323006214
图文简析
图：a) 0°，45°和90°方向的3D打印IN738LC 试样;b) 与支撑结构脱层的45°3D打印试样
本文使用LPBF技术3D打印得到了致密度为99.98%的三个不同取样方向的蠕变试样，与3D打印方向分别成0°，45°和90°，并在750 ℃，350 MPa和850 ℃，200 MPa下进行了蠕变试验，得到了相应的蠕变曲线（图1）。在两个试验条件下，取向90°的试样均具有最大的断裂应变和蠕变寿命，表明本文中的3D打印材料最好的蠕变性能的取向为平行3D打印的方向。此外，观察到取向45°的试样蠕变寿命最短，取向0°的试样断裂应变最小。
图1 试样的取样方式以及相应的蠕变曲线
本文绘制了850 ℃下的Norton幂律曲线图，通过计算不同取向蠕变试样的指数n值发现，在该温度和150-240 MPa区间内的蠕变均是由位错蠕变机制主导。利用EBSD测量拉伸方向截面的平均晶粒尺寸，并结合曲线中得到的最小蠕变速率，发现晶粒尺寸和最小蠕变速率成反比。45°的晶粒尺寸最小，所以蠕变速率最大，这也可能是取向为45°的试样蠕变寿命最短的原因。（图2）
图2 （a）850 ℃时的Norton幂律关系曲线，（b）晶粒尺寸和最小蠕变速率的关系
从图3可以看到取向0°的试样蠕变后的晶粒取向主要是<111>，<001>（750 ℃）和<111>，<101>（850 ℃），而<111>和<101>取向会导致较差的蠕变性能，这也是取向0°的试样的断裂应变最小的原因。
图3 蠕变试样断口处的反极图
图4 扫描电镜下0°、45°和90°取样的试样中的碳化物分布
图5 850 ℃蠕变试验后断口附近的局部取向
另外，通过扫描电镜（SEM）表征发现取向0°和90°的试样中具有更多的晶间碳化物（图4），而碳化物会钉扎阻碍晶界滑移，从而导致更小的蠕变速率。此外，通过EBSD中的KAM分布图（图5）发现，蠕变变形主要集中在碳化物附近，且取向90°试样的变形分布更均匀。
论文引文信息（GB/T 7714 格式 ）：
Megahed S, Krämer K M, Heinze C, et al. Influence of build orientation on the creep behavior of IN738LC manufactured with laser powder bed fusion[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023: 145197.
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