激光粉末床熔接多材料結(jié)構(gòu)增材制造的最新進(jìn)展（3）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，本文從界面特性和強(qiáng)化方法、關(guān)鍵技術(shù)問題和潛在應(yīng)用等方面全面回顧了通過LPBF實現(xiàn)的多材料結(jié)構(gòu)的最新成就。本文為第三部分。


3.2.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
多材料結(jié)構(gòu)LPBF處理的先決條件之一是創(chuàng)建其3D模型。目前，由于可用商業(yè)軟件的限制，大多數(shù)主流三維模型僅表達(dá)零件的幾何信息，而不表達(dá)零件的材料信息，這可能會阻礙多材料結(jié)構(gòu)的打印。圖20顯示了多材料的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備方法，應(yīng)通過模型分割、定義和組合進(jìn)行處理，以獲得具有復(fù)雜形狀的多材料結(jié)構(gòu)。然而，這種方法需要復(fù)雜的手動過程，不利于大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛的工業(yè)應(yīng)用。因此，一種能夠同時表達(dá)幾何和材料信息并與制造過程連接的數(shù)據(jù)接口文件對于多材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造的集成至關(guān)重要。

圖20 多材料結(jié)構(gòu)的LPBF打印的手動數(shù)據(jù)準(zhǔn)備程序。

目前，AM中普遍接受的數(shù)據(jù)格式包括STL（標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分語言）、OBJ（對象文件格式）、AMF（附加制造格式）和PLY（多邊形文件格式）文件（Loh等人，2018）。STL文件是使用最廣泛的數(shù)據(jù)格式，已成為商用AM設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)輸入文件，但它無法表達(dá)材料信息。STL 2.0是為了表達(dá)零件中每個區(qū)域的材料信息而開發(fā)的。OBJ文件可以表達(dá)顏色信息，但仍然無法表達(dá)材質(zhì)信息。AMF文件是美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）為標(biāo)準(zhǔn)化而提出的一種多材料AM數(shù)據(jù)格式，它可以表達(dá)幾何和材料信息，但占用大量存儲空間。AMF文件仍處于開放共享階段，應(yīng)用于多材料結(jié)構(gòu)尚不成熟。PLY文件使用多邊形網(wǎng)格來表達(dá)零件的表面信息，例如紋理和顏色。

一些潛在的文件格式可用于LPBF打印的多材料結(jié)構(gòu)，其可攜帶關(guān)于材料梯度和微尺度物理特性的信息，超出固定的幾何描述。FAV格式包括通過體素的物體外部和內(nèi)部的數(shù)字信息，包括其顏色、材料和連接強(qiáng)度，如圖21所示。

圖21（a）顯示三維排列體素的概念圖，以及（b）FAV格式可以保留內(nèi)部結(jié)構(gòu)、顏色和材料的信息。

LPBF的多材料結(jié)構(gòu)需要一種新的計算建模方法，該方法不僅可以包含幾何信息，還可以指定和管理用于局部成分控制的材料信息。新的計算建模方法應(yīng)該能夠控制三維空間中材料的比例和方向性。Richards和Amos（2014）提出了一種使用CPPN（合成模式生成網(wǎng)絡(luò)）編碼的計算方法，以及一種使用NEAT（增強(qiáng)拓?fù)涞纳窠?jīng)進(jìn)化）的可擴(kuò)展算法，通過笛卡爾坐標(biāo)的函數(shù)通過逐體素描述將多材料信息嵌入到多材料零件中（圖22）。為了減少多材質(zhì)結(jié)構(gòu)體素模型從通用幾何格式（即STL文件）轉(zhuǎn)換的計算量，General（2018）提出了一種替代設(shè)計支持系統(tǒng)，用體積紋理圖表示材質(zhì)幾何拓?fù)�。它允許對體素模型進(jìn)行修改，然后編譯回紋理描述，以在不同的比例下進(jìn)行更改。因此，函數(shù)表示是一種有效的方法，可以為描述具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多材料物理對象提供可行的方法。

圖22 （a）通過對每個像素的X和Y坐標(biāo)求和生成顏色的簡單梯度圖案：C，（b）CPPN生成的圖案。下式（b）顯示了紅色值的計算（Richards和Amos 2014）。

3.3.熱力學(xué)計算和過程模擬

在多材料LPBF工藝中，了解材料性能的相容性并預(yù)測異種材料的行為（界面形態(tài)、熔池形狀、微觀結(jié)構(gòu)演變等），然后快速篩選多材料結(jié)構(gòu)的材料類型和工藝參數(shù)至關(guān)重要。然而，多材料LPBF中材料性能的相容性和潛在物理行為是與熔體池的熱力學(xué)和流體動力學(xué)、相變、材料熱力學(xué)等相關(guān)的復(fù)雜科學(xué)問題。此外，高度相容的材料可能具有類似的功能，導(dǎo)致多材料部件的單一功能，這可能無法適應(yīng)可變的工作環(huán)境。目前，界面工藝參數(shù)的優(yōu)化仍然主要是通過大量的試錯實驗，這可能導(dǎo)致較長的交付周期和較高的成本。

數(shù)值模擬是了解多材料LPBF過程中潛在物理行為的有效方法（Yao等人，2021）。理解多材料LPBF中界面微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制至關(guān)重要。然而，目前使用相場建模和元胞自動機(jī)方法進(jìn)行的微觀結(jié)構(gòu)模擬研究主要針對二元合金或三元合金。此外，缺乏混合材料的物理特性是在微觀尺度上獲得多材料LPBF精確模型的另一個障礙。因此，基于微觀方法進(jìn)行的工作有限。

Gu等人（2020年）開發(fā)了一個綜合建�？蚣埽�以預(yù)測在介觀尺度上的多材料LPBF過程中多軌道、多層和多材料結(jié)構(gòu)的熔池發(fā)展（圖23（a））。在這個框架中，可以在打印之前探索多種材料結(jié)構(gòu)的粉末材料的各種組合，這為多種材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了有價值的見解。Sun、Chueh和Li（2020）開發(fā)了一個中尺度計算流體動力學(xué)模型，用于模擬單軌多材料LPBF熔池行為。由于不同材料的不同熱物理性質(zhì)（熔點、激光束吸收率、熱導(dǎo)率等），在熔融混合的IN718/CuSn10粉末時觀察到不均勻的溫度分布。隨著CuSn10含量的增加，熔池溫度降低。除金屬/金屬多材料結(jié)構(gòu)外，Chen，Gu等人（2019）提出了一種多層有限元模型，以研究TiB2/Ti6Al4的熱行為 V多材料結(jié)構(gòu)，隨后的實驗證明了模型的有效性（圖23（b））。

圖23 （a）多軌道、多層和多材料LPBF建�？蚣埽�以及（b）多材料結(jié)構(gòu)LPBF物理模型示意圖。

然而，在這些模擬工作中，沒有研究不同材料之間界面的三維形態(tài)演變。最近，Yao等人（2021）開發(fā)了一個多物理模型，該模型將微米級流體動力學(xué)與納秒級熱擴(kuò)散過程相結(jié)合，以檢查316L和IN718之間界面的三維形貌演變（圖24（a））。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)界面處熔體池的縱橫比高于0.25且低于0.55時，可以獲得“魚鱗”形態(tài)（圖24（b–f））。“魚鱗”形態(tài)有助于在界面處形成機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)和纏結(jié)的彎曲顆粒（圖24（f）和（g）），從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

圖24 （a）單道激光掃描的代表性圖像，顯示了用于不同觀察方向的橫截面，（b–e）分別來自橫截面a-a、b-b、C-C和D-D的熔體池內(nèi)流動特性的模擬結(jié)果。（f）界面的“魚鱗”形態(tài)，以及（g）沿橫截面E-E的代表性元素分布圖和微觀結(jié)構(gòu)。

3.4.粉末交叉污染和回收

LPBF設(shè)備的開發(fā)使得能夠根據(jù)需要打印具有空間分布的不同材料的多材料結(jié)構(gòu)。然而，粉末交叉污染和打印后不同粉末的回收仍然是需要解決的關(guān)鍵問題。一方面，LPBF的固有特性（例如，基于粉末床）帶來了多材料結(jié)構(gòu)打印過程中不可避免的粉末交叉污染問題。在打印一個粉末層之后，需要清除未熔化區(qū)域中的粉末；否則，不同粉末的混合物會導(dǎo)致粉末交叉污染。這種混合物可能會破壞精細(xì)材料布局并改變多材料結(jié)構(gòu)的功能，這不利于對其性能的精確控制。因此，清潔系統(tǒng)對于多材料LPBF設(shè)備有效去除打印層內(nèi)未經(jīng)退火的粉末至關(guān)重要。此外，還需要設(shè)備的粉末預(yù)設(shè)能力來實現(xiàn)異種粉末的精確預(yù)設(shè)。

另一方面，對于多材料LPBF設(shè)備，應(yīng)考慮不同粉末的回收、分離和再利用，以降低材料成本。如果混合粉末的粒度存在顯著差異，可通過篩分進(jìn)行分離；如果混合粉末具有不同的磁性，可以通過磁吸附分離；如果混合粉末的密度不同，則可通過顆粒慣性進(jìn)行分離。此外，多材料LPBF設(shè)備應(yīng)避免在打印過程中混合原料粉末。

總之，多材料LPBF的關(guān)鍵技術(shù)問題集中在設(shè)備開發(fā)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、熱力學(xué)計算和過程模擬以及粉末交叉污染和回收�；�于粉末供給系統(tǒng)的改進(jìn)，開發(fā)了各種多材料LPBF設(shè)備，包括基于葉片、基于超聲波的葉片 + 超聲波“混合”和電子攝影技術(shù)。這些已開發(fā)的LPBF設(shè)備可以構(gòu)建具有層間或?qū)觾?nèi)打印的多材料結(jié)構(gòu)，但都顯示出低效率和粉末交叉污染。

4.潛在應(yīng)用

LPBF打印多材料零件具有多種功能/性能，在航空航天、核能、海洋和海上的各種應(yīng)用中，在高溫、高負(fù)荷和高腐蝕等惡劣環(huán)境中工作具有巨大潛力。此外，多材料AM甚至在四維（4D）打印領(lǐng)域顯示了其優(yōu)勢。例如，通過對不同材料（例如形狀記憶合金和非形狀記憶合金）的布局設(shè)計，可以在加熱后獲得具有特定形狀變化的新型智能材料，如圖25（a）所示。多材料結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于動力傳動系傳輸系統(tǒng)。圖25（b）顯示了高度為3的打印CuSn10/PA11多材料齒輪 這證明了多材料LPBF用于制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬/聚合物部件的能力。圖25（c）顯示了一個打印銅/聚合物渦輪葉片，其中只有葉片的中心由銅制成。銅/聚合物渦輪葉片可以潛在地應(yīng)用于磁性驅(qū)動的動力系統(tǒng)。

圖25 LPBF打印的多材料零件，在4D打印、動力傳動系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)和通信設(shè)備中具有潛在應(yīng)用：（a）Ni20Mn6/Ni36的智能多材料結(jié)構(gòu)，（b）混合CuSn10/PA11齒輪，（c）CuSn10/PA11渦輪葉片，（d）CUSN110/PA11手機(jī)后殼，以及（e）316L SS/CuSn10/PA11聯(lián)鎖環(huán)。

在通信設(shè)備領(lǐng)域，可以將揚聲器、控制模塊和輻射/電絕緣體等聚合物組件連接到金屬電子設(shè)備外殼上。圖25（d）顯示了LPBF打印的CuSn10/PA11多材料手機(jī)后殼，這可以簡化手機(jī)后殼的生產(chǎn)。圖25（e）顯示了316 SS/CuSn10/PA11多材料聯(lián)鎖環(huán)，由三種不同材料組成。在電子電路領(lǐng)域，直接制造復(fù)雜多材料結(jié)構(gòu)的方法可以與其他AM工藝集成，以制造3D復(fù)雜電路，從而能夠直接打印整個電氣設(shè)備。此外多材料LPBF可允許在預(yù)定義位置使用所需材料構(gòu)建復(fù)雜的3D金屬電路和陶瓷封裝形狀，以提高功能或性能。

圖26（a）顯示了LPBF打印的金屬/玻璃多材料裝飾結(jié)構(gòu)，這表明了多材料LPBF在珠寶領(lǐng)域的創(chuàng)新可行性。它不僅可以省略后續(xù)鑲嵌工藝，還可以直接制造具有不同材料分布的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。圖26（b）顯示了由比利時Aerosint SA公司制造的具有復(fù)雜彎曲結(jié)構(gòu)的CuCrZr/316L多材料管式熱交換器。在熱交換器中，銅管充當(dāng)通道之一，并由316L通道包圍。與傳統(tǒng)焊接方法相比，多材料換熱器的LPBF工藝具有成本效益。

圖26 LPBF打印的多材料零件在珠寶和能源領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用：（a）CuSn10/玻璃吊墜，（b）CuCrZr/316L多材料熱交換器，和（c）IN718/SS316L多物質(zhì)熱交換器。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，多材料結(jié)構(gòu)的LPBF處理允許打印植入物實現(xiàn)精細(xì)的多材料布局，以獲得人體骨骼所需的各種性能（如生物相容性、剛度、耐磨性、耐腐蝕性）。圖27（a）顯示了打印的NiTi/Ti6Al4 V多材料HIP植入物。這種多材料HIP植入物包括Ti6Al4 V內(nèi)部區(qū)域具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，NiTi外部區(qū)域具有受控的體積膨脹（形狀記憶激活），以促進(jìn)合適的骨植入物接觸并誘導(dǎo)骨向內(nèi)生長。金屬/聚合物混合結(jié)構(gòu)也可用于矯形應(yīng)用。Chueh、Wei等人（2020年）開發(fā)了一種新型LPBF打印金屬/聚合物植入物，具有可控的藥物輸送特性�？梢匝b載抗生素的聚合物是可生物降解的，并嵌入金屬植入物中，如圖27（b）所示。

圖27 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用的LPBF打印多材料零件：（a）用于LPBF的NiTi/Ti6Al4V多材料HIP植入物的設(shè)計概念，以及（b）具有可控藥物遞送輪廓的LPBF打印金屬/聚合物植入物。

在航空航天領(lǐng)域，LPBF工藝可用于制造在極端惡劣環(huán)境中工作的多材料零件，通過以經(jīng)濟(jì)高效的方式配置柔性材料布局，實現(xiàn)優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性。例如，美國國家航空航天局（NASA）開展了一個名為“快速分析和制造推進(jìn)技術(shù)”的項目，該項目的關(guān)鍵目標(biāo)之一是推進(jìn)雙金屬和多金屬AM技術(shù)。在該項目中，LPBF已成熟地應(yīng)用于燃燒室的制造，并與其他AM技術(shù)（例如，吹塑粉末定向能量沉積，BP-DED）相結(jié)合，以制造輕質(zhì)推力室組件（圖28）。這表明多材料LPBF技術(shù)可以在腔室和噴嘴之間產(chǎn)生連續(xù)的冷卻通道，并通過配置適當(dāng)?shù)牟牧喜季謥頊p輕零件的重量。

圖28 （a）為BP-DED準(zhǔn)備的LPBF打印GRCop腔室，（b）耦合制造演示器的BP-EDD工藝，以及（c）完整的耦合BP-DED/LPBF雙金屬演示器。

5.結(jié)論與展望

本文綜述了通過LPBF打印的多材料結(jié)構(gòu)（特別是異種材料）的研究進(jìn)展。綜述了LPBF打印多材料結(jié)構(gòu)的界面特性和強(qiáng)化方法、多材料LPBF的關(guān)鍵技術(shù)問題和潛在應(yīng)用。

LPBF可用的多材料結(jié)構(gòu)的主要類型包括金屬/金屬、金屬/聚合物、金屬/玻璃和金屬/陶瓷。其中，對金屬/金屬體系的研究最為廣泛，包括316L/CuSn10、316L/IN718、Ti6Al4 V/IN718、CuSn10/18Ni300、AlSi10Mg/C18400等。不同材料類型的界面形成和鍵合機(jī)制不同。對于金屬/金屬結(jié)構(gòu)，熔合區(qū)和獨特的微觀結(jié)構(gòu)（如針狀凝固微觀結(jié)構(gòu)、細(xì)化晶粒）有助于形成強(qiáng)大的界面結(jié)合；金屬/聚合物、金屬/玻璃和金屬/陶瓷結(jié)構(gòu)通過機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)結(jié)合。缺陷（如裂紋、氣孔、分層和未熔化的粉末顆粒）是LPBF打印多材料結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。目前抑制界面缺陷和增強(qiáng)界面結(jié)合的有效方法包括優(yōu)化界面工藝參數(shù)、引入中間結(jié)合層和成分過渡區(qū)以及界面設(shè)計。

銅基板上熔融H13的SEM圖像。

多材料LPBF技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問題包括送粉系統(tǒng)的開發(fā)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、熱力學(xué)計算和過程模擬以及粉末交叉污染和回收�；�于粉末供給系統(tǒng)的改進(jìn)（基于刀片、基于超聲波的刀片 + 已經(jīng)開發(fā)了各種多材料LPBF設(shè)備來構(gòu)建具有層間或?qū)觾?nèi)打印的結(jié)構(gòu)。然而，低效率和粉末交叉污染仍然是他們面臨的挑戰(zhàn)。缺乏同時表達(dá)多材料結(jié)構(gòu)的幾何和材料信息的數(shù)據(jù)格式是多材料LPBF的另一個障礙，可以通過一些潛在的文件格式（如FAV、SVX和3MF）和新方法（如函數(shù)表示）來解決。LPBF打印的多材料零件在4D打印、電子、珠寶、能源、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。將多材料LPBF與其他AM方法（如BP-DED）相結(jié)合的混合制造方法為高效生產(chǎn)和應(yīng)用提供了一種有效的方法。

MS1-C300復(fù)合材料650℃熱處理60 min后的顯微組織:(a) EBSD晶界圖，(b)鐵素體相和(C)奧氏體相對應(yīng)的IPF圖。(d)相圖(鐵素體:藍(lán)色，奧氏體:紅色)。

關(guān)于多材料LPBF的前景概述如下。

在多材料LPBF中，熱性能的失配和第二相（如脆性金屬間化合物和碳化物）的形成可能導(dǎo)致高殘余應(yīng)力，并導(dǎo)致LPBF打印多材料結(jié)構(gòu)中的分層和裂紋。然而，目前可用于相變預(yù)測的商業(yè)模擬軟件通常是為單材料打印設(shè)計的，因此預(yù)測多材料結(jié)構(gòu)界面處的二次相和缺陷的形成具有挑戰(zhàn)性。因此，可以對多種材料進(jìn)行熱力學(xué)計算和過程模擬，以了解多種材料界面的溫度梯度、熱應(yīng)力分布和凝固行為，從而為提高界面結(jié)合強(qiáng)度和減少缺陷提供理論指導(dǎo)。

（A） BEI顯微照片和EPMA彩色顯微照片顯示了（B）Sn、（C）In和（D）Zn在冠內(nèi)界面周圍的元素分布。BEI＝背散射電子像；電子探針微分析。

LPBF可以開發(fā)各種多材料類型，以滿足工業(yè)應(yīng)用對零件多功能性的日益增長的要求。可以引入機(jī)器學(xué)習(xí)來加速LPBF新的多材料類型的開發(fā)。由材料屬性（化學(xué)成分、熔點、激光吸收率、熱導(dǎo)率、比熱容等）、打印工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、層厚、圖案填充空間等）組成的綜合數(shù)據(jù)庫，可以建立打印多材料零件的性能（強(qiáng)度、延展性、疲勞壽命、耐磨性、耐腐蝕性等），用于訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。然后，可以使用經(jīng)過訓(xùn)練的模型預(yù)測新的多種材料類型的零件性能。此外，可以通過基于實時監(jiān)測技術(shù)（例如高速X射線成像）的高保真表征方法來監(jiān)測打印期間的中間時間級熱動力學(xué)和空間級結(jié)構(gòu)演變。因此，可以理解多材料LPBF中不同材料之間的熱行為和結(jié)構(gòu)形成。

多材料界面的設(shè)計可以有效地提高界面結(jié)合強(qiáng)度。可以在LPBF打印多材料結(jié)構(gòu)的界面處創(chuàng)建連續(xù)梯度過渡區(qū)和機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。需要探索過渡區(qū)特性（厚度、成分等）對界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計特征，例如尺寸和形狀，可以確定異種材料之間界面粘結(jié)的力學(xué)。

BEI、SEI顯微照片和EPMA彩色顯微照片顯示了在兩次瓷熔金屬燒結(jié)循環(huán)后，陶瓷和金屬界面處Pd、Ag、In、Sn和Zn的元素分布。

可以探索LPBF工藝的改進(jìn)，以打印高質(zhì)量的多材料結(jié)構(gòu)。綠色和藍(lán)色激光的引入可用于有效打印具有高反射率的多種材料（銅、鋁）。在多材料打印過程中，可以使用額外的電場、超聲波和磁場來攪拌熔池，這可以細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)，減少缺陷，從而促進(jìn)異種材料的冶金結(jié)合。

現(xiàn)場監(jiān)測可用于確保LPBF過程中的高質(zhì)量多材料零件。借助高速攝影技術(shù)和紅外成像相機(jī)，可以在打印過程中獲得熔池的溫度和大小、濺射的大小以及濺射距離和角度。此外，現(xiàn)場高速同步輻射X射線成像可用于研究界面動力學(xué)（熔體池幾何結(jié)構(gòu)、內(nèi)部流動模式、孔隙形成/消除等）。最后，獲得的熔池、濺射和界面動力學(xué)信息可用于機(jī)器學(xué)習(xí)，以建立界面缺陷形成與多材料LPBF中采用的工藝參數(shù)之間的關(guān)系，從而通過優(yōu)化工藝參數(shù)確保零件質(zhì)量。

來源：Recent progress on additive manufacturing of multi-material structures with laser powder bed fusion, Virtual and Physical Prototyping, doi.org/10.1080/17452759.2022.2028343

參考文獻(xiàn)：Al-Jamal, O. M., S. Hinduja, and L. Li. 2008. “Characteristics of the Bond in Cu-H13 Tool Steel Parts Fabricated Using SLM.” CIRP Annals – Manufacturing Technology 57 (1): 239–242. doi:https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.03.010.