NASA研究团队发现金属3D打印孔隙特征大有利用价值并发布可控工艺研究成果

孔隙一直被认为是金属3D打印的不利因素，这种缺陷不仅会导致致密度降低，还可能成为循环载荷条件下的裂纹萌生点，因此对疲劳寿命产生不利影响。然而，NASA喷气推进实验室（JPL）的研究团队展示了最新的研究成果，将孔隙这一不利因素充分利用，使其对3D打印的零件起到积极作用。研究分别给出了激光粉末床熔融工艺下AlSi10Mg、316L不锈钢、Inconel625和Ti6Al4V不同工艺条件下的孔隙率水平，并描述了预测多孔材料特性的模型。

按照NASA JPL团队的描述，多孔材料并非一无所用，在轻质结构、毛细管结构、通气或过滤器组件以及医疗植入物和组织工程中，材料孔隙率是必要的特征。多孔材料的另一个主要应用是两相热流体控制装置，如热管和蒸汽室。在许多应用中，多孔材料的设计是需要控制三个要素：有效孔隙半径、渗透率和孔隙率。

NASA JPL团队3D打印的具有多孔特征的试样

对于热流体应用，如果需要较大的毛细管压力差，则有效孔隙半径应较小。轴向液体流动阻力是渗透率的函数，渗透性决定了穿过显微结构的液体压降，因此决定了液体传输能力。孔隙率有助于提高导热系数、屈服应力并减轻重量。这些多孔特性以非线性方式关联，设计人员必须始终在这些竞争因素之间进行平衡，以获得应用组件的最佳设计。

JPL 团队已经提交了多项专利，其中包含这项技术的应用。研究团队还展示了采用该技术制造的3D打印实心多孔金属NASA/JPL杯垫的正反面，它可以吸走杯子下面的水分。

NASA JPL团队3D打印的具有多孔特征的杯垫

多孔材料制造最常用的方法是“烧结粉末”技术，颗粒混合物被压实并烧结在一起。然而，这种工艺制造的零件内部结构较为随机，会使零件的流体热行为不均匀。此外，几乎不可能制造出由固体和多孔材料组成的整体件。这限制了多孔材料的使用，并给包括多孔结构的设计带来了困难。原则上，SLM金属3D打印技术的使用可以克服这些问题，因为它可以完全控制多孔材料的整体结构。

目前已有许多使用SLM技术制造多孔材料的研究。报道最多的方法是通过设计和打印具有最高激光分辨率的多孔结构，这种方法通常是通过开发具有定义的晶格结构来实现的。使用这种方法制造的多孔结构已成功制造，并已被证明可实现100μm或更大的孔半径 。该技术存在两个限制：（1）孔径受到设备分辨率的限制；（2）需要构建整个多孔结构零件的模型。

采用结构设计实现的多孔结构

另一种3D打印多孔材料的方法是调整激光参数，使粉末材料不被完全熔化。使用优化的激光参数，已经证明可以生产有效孔径小于10μm的多孔材料。此外，该方法不需要对多孔部分进行详细的CAD设计，显著降低了计算成本。尽管与前一种方法相比有优势，但后一种方法产生的多孔特性和激光参数之间的关系在以往研究中并未明确。目前还没有全面的参数优化研究来了解激光参数和多孔性能之间的关系，并改进微结构的制造和设计。

通过工艺控制实现的多孔特征零件（来自KIT）

JPL 团队的研究工作就在于系统解释了这些多孔结构与激光参数之间的关系。根据实验数据，有一系列的能量密度可用于为每种材料构建多孔特征。该能量密度范围存在上限和下限，在此范围之外，粉末材料要么过度熔化（导致所有孔隙率丧失），要么熔化不足（无法形成连续结构）。

通过SLM制造的AlSi10Mg、不锈钢、In625和Ti6Al4V多孔材料的实验和分析研究

为了建立能量密度和所需孔隙率水平之间的相关性，研究团队绘制了总孔隙率、激光功率和能量密度之间的关系图。研究表明，决定孔隙率的关键参数不仅仅是能量密度，还有激光功率。孔隙率在相同的能量密度下是可变的，特别是当激光功率较低时。例如，当激光功率为57-228W且能量密度相同时，AlSi10Mg的孔隙率在 26.9-12.2%之间变化。对于Inconel625和Ti6Al4V，在相同能量密度下，当激光功率小于150W时，孔隙率也是可变的。另一方面，当激光功率较高时，孔隙率几乎是恒定值。例如，当激光功率在228-342W、能量密度为20J/mm3时，孔隙率约为10% 。在其他材料中，当激光功率在相同能量密度下超过阈值时，孔隙率是恒定的。这表明当激光功率低于每种材料的阈值时，实际应用于粉末的激光功率可能不是设定值。较低的激光功率可能容易受到熔化热扰动的影响。为了减少构建误差，希望激光功率高于图中的阈值。换句话说，当激光功率超过阈值时，相同的能量密度可能会产生相同的孔隙率。

最后，使用本研究的技术已开发出了实际应用，并已成功用于两相热控制装置的制造。通过增加对如何制造和控制多孔材料的理解，可以提高使用3D打印技术制造新型多功能零件的能力。

注：研究原文已上传QQ群。