高速鋪粉3D打印實現(xiàn)成形效率與性能的同時提升，新加坡國立大學(xué)&華中科技大學(xué)合作研究

2022年4月，南極熊獲悉，新加坡國立大學(xué)-華中科技大學(xué)合作在金屬領(lǐng)域期刊《Acta Materialia》發(fā)表了“Is high-speed powder spreading really unfavourable for the part quality of laser powder bed fusion additive manufacturing?”研究成果，高速鋪粉3D打印實現(xiàn)成形效率與性能的同時提升。
激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）是目前主流的金屬3D打印技術(shù)之一，能直接制造復(fù)雜精細的高性能金屬零件，如打印的高溫合金航空燃油噴嘴、鈦合金多孔骨骼植入物、內(nèi)置隨形冷卻水道的模具鑲件已獲實際應(yīng)用。但比較傳統(tǒng)制造工藝，LPBF技術(shù)利用高能束激光（光斑50-100微米）逐點逐線熔融微細金屬粉末，成形效率相對較低，僅適用于單件和小批量零件制造。因此，如何有效地提高其制造效率是當(dāng)前研究的一大熱點。

粉末鋪設(shè)是LPBF中的重要環(huán)節(jié)，在層層疊加的循環(huán)制造過程中耗費了大量時間。根據(jù)傳統(tǒng)認知，提高鋪粉速度可壓縮成形時間，但會嚴(yán)重降低粉末床鋪粉的初裝密度和均勻性，進而影響激光熔化效果和打印零件的性能。針對此問題，新加坡國立大學(xué)閆文韜教授團隊與魏青松教授團隊合作，研究高速鋪粉對粉末床堆積質(zhì)量以及最終打印零件性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)條件下實施高速鋪粉可以實現(xiàn)打印效率和零件性能的同時提升，研究論文“Is high-speed powder spreading really unfavourable for the part quality of laser powder bed fusion additive manufacturing?”發(fā)表在金屬領(lǐng)域期刊《Acta Materialia》上，魏青松教授和閆文韜教授為共同通訊作者，陳輝博士后和程坦博士生為共同第一作者。

重要發(fā)現(xiàn)與結(jié)論總結(jié)如下：
（1）粉末鋪設(shè)速度增大時，初始1~10層粉末床的堆積致密度會降低，使得熔融沉積的層厚減小，不利于零件成形（圖1）。然而，由于粉床在激光熔融下產(chǎn)生體積收縮，這種收縮效應(yīng)會使下一層實際的鋪粉層厚逐漸增大，導(dǎo)致相應(yīng)的粉末床堆積密度也會增大，從而補償下一層沉積層的高度（即：補償效應(yīng)）。在收縮效應(yīng)與補償效應(yīng)的綜合作用下，即使鋪粉速度增大，打印過程也將在約10層以后趨于穩(wěn)定并達到相似的熔化條件和質(zhì)量（圖2）。因此，高速鋪粉在初始數(shù)層不利于零件成形，但是在后續(xù)的逐層打印中，由于收縮和補償效應(yīng)，零件仍然可以順利成形。該規(guī)律在不銹鋼、模具鋼、鎳基合金等金屬粉末成形中被驗證，具有普遍意義。

圖1 高速鋪粉初始層加工：（a）粉末床堆積形態(tài)；（b）粉末床熔融形態(tài)。

圖2 高速鋪粉多層加工：（a）多層階梯成形；（b）實際鋪粉厚度隨層數(shù)變化；（c）實際粉床熔融厚度隨層數(shù)變化。

（2）高速鋪粉縮短了層與層間打印的冷卻時間，使得下層打印的初始溫度提高，這能在一定程度上減少潛在的未熔孔隙，并降低零件內(nèi)的溫度梯度進而減小殘余應(yīng)力，最終使得零件的疲勞性能得到提升。

圖3高速鋪粉與成形性能的關(guān)系：（a）晶粒組織；（b）相含量；（c）拉伸；（d）疲勞性能。

該研究突破了長期以來“高速鋪粉不利于零件成形”經(jīng)驗性認知局限。研究有望為實際工程應(yīng)用中提升LPBF制造效率提供科學(xué)依據(jù)和可行的技術(shù)參考。
該研究由華中科技大學(xué)和新加坡國立大學(xué)合作完成，該研究得到新加坡國家科學(xué)基金 (MOE-T2EP50120-0012)、中國國家自然科學(xué)基金（51775207, 51705170）和華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團隊國家重點研發(fā)計劃（2017YFB1103900）等項目資助。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117901