賓夕法尼亞州立大學(xué)3D打印技術(shù)實現(xiàn)單一結(jié)構(gòu)中兩種金屬精確組合

2025年4月4日，南極熊獲悉，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員通過一種新的3D打印方法，成功制造出傳統(tǒng)上只能通過焊接技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)。這一突破性技術(shù)采用了多材料激光粉末床熔合技術(shù)，將低碳不銹鋼和青銅（90%銅、10%錫）混合物打印成單一結(jié)構(gòu)。

△相關(guān)研究題目為“多材料激光粉末床熔合：構(gòu)建方向?qū)θ毕�、材料結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響”（傳送門）

該技術(shù)的核心創(chuàng)新來自于通過直接數(shù)字沉積工藝，利用新購置的Aerosint選擇性粉末沉積系統(tǒng)進(jìn)行精確打印。相關(guān)系統(tǒng)于2023年8月加入賓夕法尼亞州立大學(xué)創(chuàng)新材料加工中心（CIMP-3D），并與現(xiàn)有的3D Systems ProX320 AM機(jī)器相結(jié)合，為打印和測試多材料金屬部件提供了強大支持。

△研究人員利用多材料激光粉末床熔合技術(shù)，打印出了一種低碳不銹鋼和青銅的混合物

機(jī)械工程博士生Jacklyn Griffis表示：“通過選擇性粉末沉積，我們能夠?qū)⒍喾N金屬粉末在增材制造過程中熔化并融合成一體，精度達(dá)到微米級。我們是美國首個成功應(yīng)用此技術(shù)的大學(xué)。”

CIMP-3D聯(lián)合主任、機(jī)械工程副教授Guha Manogharan表示：“我們現(xiàn)在已經(jīng)具備了打印多材料金屬部件的完整技術(shù)流程，并能實時監(jiān)控和解決制造過程中的潛在問題，這為未來3D打印技術(shù)在金屬部件生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。”

△多材料3D打印為金屬增材制造提供了更大的設(shè)計自由度和材料控制示意圖

探索多材料3D打印制造精度與材料性能的優(yōu)化

在使用單一粉末實現(xiàn)多種金屬材料打印的過程中，研究團(tuán)隊面臨著一系列關(guān)于加工參數(shù)與零件質(zhì)量的復(fù)雜挑戰(zhàn)。為深入理解這些因素對最終成品性能的影響，研究人員重點分析了零件的構(gòu)建方向，以了解如果零件是直立、平放或側(cè)面打印，會發(fā)生什么變化。

Griffis表示“我們的研究將構(gòu)建方向與多個結(jié)構(gòu)特征相聯(lián)系，如裂紋、孔隙、界面微觀結(jié)構(gòu)，以及元素在界面處的擴(kuò)散與混合行為。我們進(jìn)一步將這些制造缺陷與零件的機(jī)械性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，以探索這些缺陷對性能的潛在影響�！�

研究中制造的成品為一種復(fù)雜的螺旋結(jié)構(gòu)，適用于熱交換器、生物醫(yī)學(xué)植入物等高性能應(yīng)用。之所以選擇螺旋幾何，是為了展示該新型多材料激光粉末床熔合（MM-LPBF）技術(shù)在制造復(fù)雜多材料結(jié)構(gòu)方面的獨特優(yōu)勢——這是傳統(tǒng)單材料打印工藝無法實現(xiàn)的。

CIMP-3D聯(lián)合主任、機(jī)械工程副教授Guha Manogharan指出：“賓夕法尼亞州立大學(xué)在金屬增材制造領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，如今我們不僅能制造幾何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，還能精準(zhǔn)控制每種材料在部件中的分布位置。為了實現(xiàn)規(guī)�；�生產(chǎn)，我們必須深入理解材料特性與制造參數(shù)之間的相互作用，以識別和解決界面失效等關(guān)鍵問題�！�

在未來的研究方向上，團(tuán)隊計劃利用過程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)一步提升3D打印工藝的穩(wěn)定性與可重復(fù)性，使這一工藝更適合工業(yè)化生產(chǎn)。同時，他們還將探索Inconel合金和銅等更多金屬材料組合在多材料LPBF工藝中的應(yīng)用潛力。