新型激光策略:金属 3D 打印点阵强度、效率翻倍性能改观
在增材制造迈向高分辨率与高性能应用的过程中,如何在微尺度下实现几何精度、结构完整性与制造效率的协调统一,仍是一个核心技术难题。近期,香港中文大学团队与美国麻省大学阿默斯特分校、香港理工大学、伦敦玛丽女王大学等单位合作,在发表论文,提出了一种面向激光粉末床熔融(PBF-LB)系统的无STL混合路径规划方法,在多个维度实现了增材制造技术的性能提升。 激光扫描路径工程:(a)PBF-LB打印系统及单道成形示意图;(b-c)基于STL的旋转扫描路径及混合路径对比示意图;(d-e)薄壁的EBSD图;(f)建模处理效率对比。 该工作系统性地解决了传统STL模型在处理复杂壳型结构时的精度损失与计算负担问题,并显著改善了打印部件的表面质量和力学性能,具有较强的实际应用潜力。 研究背景与挑战 壳型晶格结构,尤其是基于三周期最小曲面(TPMS)构造的晶格材料,近年来因其优异的力学性能和比强度,在航空航天、生物医疗和散热系统中受到广泛关注。然而,这类微尺度结构通常包含大量曲率变化剧烈的薄壁区域,对打印路径、能量输入和热稳定性提出了更高要求。 传统PBF-LB路径生成过程依赖STL文件格式,其对隐式函数的三角网格化处理不仅引入几何误差,而且在数据规模较大时造成显著的内存消耗和处理时延。此外,常用的扫描策略如R67(67°旋转填充)在面对高曲率结构时,易引发路径不连续和能量输入不均,从而导致打印缺陷和性能退化。 无STL混合路径策略 本研究提出的STL-free hybrid toolpath strategy,核心在于跳过STL网格生成环节,直接从隐式函数构建路径数据,避免几何逼近误差,提升建模与路径规划效率。该策略将壳型晶格结构划分为: 薄壁区域:采用轮廓跟随式扫描(contour scanning),以提高边界精度与表面质量。 节点连接区域:保留改进版的R67扫描策略,以提升结构稳定性。 点阵的路径生成示意图:(a)从函数生成轮廓/单道路径;(b)从函数生成悬垂区域的旋转路径;(c-e)梯度或多层级点阵结构的参数场分布、函数切片及扫描路径等。 这种区域区分式扫描策略平衡了扫描效率与制造精度,尤其适用于高曲率、薄壁结构的打印场景。 实验系统与性能评估 3D打印系统与材料参数 实验使用自研PBF-LB系统(Hans M100μ),激光波长1070 nm,光斑直径25 μm,配合气雾化316L不锈钢粉末(D50 ≈ 16.3 μm)。路径规划与切片均通过MATLAB自研算法实现,支持隐式函数建模与区域识别。 打印参数对制造精度的影响: (a) 和 (b) 直接打印的D型TPMS格子结构。 (c) 在不同工具路径参数下直接打印的格子的形态。 (d) 和 对制造精度的影响。 (e) 扫描路径数量对制造精度的影响。 (f) 三维偏差 (g) 壁厚分布。 3D打印质量与几何精度 相较传统R67扫描策略,混合路径策略在以下方面表现更优: 最小可打印壁厚:65.3 ± 4.6 μm(R67为75.8 ± 14.6 μm) 表面粗糙度(Ra):3.2 μm(R67为9.1 μm) 厚度一致性提升:变异系数减少约68% 图3. 薄壁结构的成形性分析:(a)单道扫描及旋转路径扫描下的温度场分布及峰值温度变化;(b)薄壁的能量输入稳定性分析;(c)不通倾角的薄壁打印质量对比。 此外,计算效率显著提高:在同等分辨率与结构复杂度下,内存使用减少90%,路径生成时间缩短一个数量级。 力学性能分析 单壁结构力学行为 实验与有限元模拟均表明,混合路径策略打印的结构具备更优的力学响应: 1. 屈服强度提升约10% 2. 有效变形区域内应变分布更均匀 3. 表面粗糙度对局部失效的影响显著降低 晶体塑性有限元模拟与EBSD分析进一步表明,该策略有助于形成更均匀的晶粒组织和较低的晶格取向差异,减少应力集中。 晶格结构性能与疲劳行为 在TPMS晶格试样的循环拉伸测试中,混合路径策略展现出更高的疲劳寿命与损伤耐受性: 1. 屈服强度提升66% 2. 极限强度提升122% 3. 损伤累积速率显著下降 图4. 薄壁及点阵结构的力学响应:(a)粗糙度的影响;(b)原位同步辐射下揭示薄壁的变形行为;(c) 薄壁结构的晶粒尺寸及取向分布及晶体塑性仿真;(d) 点阵结构在循环加载下的力学响应及损伤演变。 微观断口分析显示,R67路径样本存在更多由粗糙表面与应力集中引发的孔隙与裂纹,而混合路径样本断裂面相对均匀,裂纹扩展路径更短。 应用验证:轻量化结构与热管理部件 GE支架案例验证…
2025年10月9日
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