材料的固有机械行为可以通过施加力和测量产生的变形、屈服应力应变曲线来进行实验表征。例如，在拉伸载荷下，陶瓷等脆性材料的机械行为的特征是应力-应变曲线具有线性区域，随后出现尖锐的终止；弹性体表现出超弹性，其特征是快速上升的上凹应力应变曲线，没有明显的线性区域。对于金属、陶瓷和聚合物等均质材料，除了随机微观缺陷的存在之外，对载荷的响应还取决于固有的微观结构，例如晶体结构、原子键合以及组成分子/原子的尺寸和质量。 通过三维超材料微架构设计，增材制造可以实现对材料的机械性能定制，这些材料可以表现出不寻常的特性，如负泊松比、负压缩性、超轻和超刚度，形状可恢复性和多种稳定状态。这些架构材料在材料性能选择图表（如阿什比图表）中实现了以前无法达到的特性，表现出这些特性的架构材料通常是通过正向设计方法、拓扑优化以及机器学习来设计的。正向方法可迭代调整材料的设计参数（如单元尺寸、壁厚等），直到测量或模拟的材料性能满足规定的设计标准，这通常需要经验丰富的设计师的大量经验知识。虽然拓扑优化和机器学习已经显示出能够产生提供所需属性的设计潜力，但由于设计映射和响应不唯一，它们尚未在实践中准确捕获所有所需的机械行为，同时还存在大量变量。这些设计方法还由于制造缺陷、工艺可变性和不确定性的存在而变得更加复杂，需要大量的校准来解释具有数亿空间成分的增材制造样品中的缺陷。由于这些挑战，制造的样品的实际机械性能通常与设计性能显著偏离。 3D打印技术参考注意到，来自弗吉尼亚理工大学、加州大学、加利福尼亚大学、四川大学以及剑桥大学的研究人员共同发表了题为“Rapid inverse design of metamaterials based on prescribed mechanical behavior through machine learning（“通过机器学习根据规定的机械行为快速进行超材料逆向设计”）”文章，刊登于近期的《自然通讯》杂志上。  www.nature.com/articles/s41467-023-40854-1 在这项工作中，研究人员提出了一种利用人工智能和3D打印开发具有精确定义属性材料的新方法。通过3D打印制造人工智能生成的结构，能够使材料具有定制的机械特性。弗吉尼亚理工大学的郑晓宇教授解释，迄今为止，材料开发主要基于应力-应变曲线。然而，制造公差通常会导致与所需性能的偏差。研究人员如今通过人工智能和3D打印提出了一种新方法，用户定义材料所需的机械性能，人工智能由此生成3D模型，然后进行打印。  基于机器学习的快速逆向设计方法  就设计方法来说，遵循了几个步骤。利用生成反向和代理正向神经网络模型，输入包括用户定义的单轴压缩应力-应变曲线（以曲线特征和制造参数的形式，给定3D打印机的最大构建体积尺寸和最小可打印特征尺寸），输出一组最佳设计参数来描述数字晶格设计；然后进行3D打印和测试。为了实现这一点，研究人员开发了一系列晶格单元，能够在单调和循环压缩载荷下捕捉不同的曲线形状，这些压缩载荷涵盖了晶格/点阵/蜂窝结构的广泛力学行为。这些单元充当创建由两种不同（脆性和柔性）聚合物基材区分的训练数据集的构建块，机器学习管道从中学习各种机械行为、拓扑结构和工艺相关制造误差之间的关系，并生成复制目标应力-应变曲线的可打印晶格。这种方法允许快速创建具有完全可定制的机械行为的材料，同时考虑制造过程误差和非线性行为。 设计空间、可绘制的应力-应变曲线路径和结构单元  基于代表性目标应力-应变曲线和实验设计验证的逆向设计 为了证明设计过程的可定制性，研究人员通过图形化定制从商业中底测量的应力应变曲线来逆向设计鞋中底，以增强跑步性能。在足跟-脚趾跑步过程中，中底在不同负荷水平下被分为四个部分，每个部分的目标应力-应变曲线是通过定制基线曲线来创建的，目的是最大限度提高跑步的推进力和缓冲力。量身定制的中底由坚硬但舒适的脚趾部分、更柔软且更高推进力的前掌部分和更坚硬但耗能的鞋跟部分组成。此外，根据基底材料（TMPTA）在应变速率及其力学性能之间的比例关系对目标曲线进行了缩放，从而可以使用准静态训练数据对跑步场景中的动态响应进行逆向设计。结果显示，实验测试的曲线与每个定制截面的目标曲线之间具有极好的一致性（平均预测精度>90%），表明机器学习管道能够在不同的加载条件下产生满足多种定制机械响应的材料。  通过鞋中底的逆向设计证明了应力应变曲线的可定制性 研究人员还逆向设计了三个应力-应变曲线来实验验证方法的有效性，结果表明，这些先进的逆向设计的应力-应变曲线具有连续的峰值应力和协调的塌陷机制以及定制的软化效果，使得逆向设计的复合晶格成为机器学习设计的定制能量吸收填充材料的绝佳候选者。  ‍通过使用叠加设计梯度创建复合晶格来增强应力-应变曲线的可定制性‍ 科学家们表示，人工智能和3D打印的结合使材料开发具有前所未有的适应性。因此，3D打印将成为制造精确指定特征值材料的技术，这项研究可能会从根本上改变材料科学。  注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.国内知名工控机品牌研华科技开始使用3D打印技术革新生产 2.多材料金属3D打印：高制造成本与高价值回报的博弈 3.60平米打印幅面！美能源部支持开发迄今最大砂型3D打印系统 4.聚合物3D打印晶格结构的准静态和动态压缩行为

3D打印技术参考注意到，市场情报公司CONTEXT于近期发布了一份新报告，强调了2023年第二季度工业3D打印机销售区域模式的转变，并主要分析了欧美市场和中国市场近期的变化。 欧美市场方面的看点主要是围绕Stratasys、3D Systems、Desktop Metal 和 Nano Dimension的合并，持续大半年的合并/收购案最终未能实现。此外，欧美工业供应商的单位销量较低，但专注于生产更昂贵的系统正在推动收入增长。事实上，在蓬勃发展的“激光战争”中，制造商已将多达26甚至36台激光器集成到金属粉末床熔融3D打印机中，从而增加了市场规模。CONTEXT声称，“激光战争”将推动工业金属3D打印机领域全年收入增长15%。  根据CONTEXT的数据，2023年第二季度工业3D打印机出货量按地区划分，中国的大部分需求由国内供应商满足，而西方供应商则主要供应美国、欧洲和世界其他地区的订单。  按ASTM工艺和材料划分的工业单位出货量预测  1. 中国再次成为全球最大的工业3D打印市场 中国再次成为全球最大的工业3D打印市场，2023年第二季度38%的工业3D打印机销往中国。北美市场份额为29%，西欧市场份额为23%。 尽管2022年由于新冠疫情的影响导致去年中国国内出货量增长不平衡，但最新数据显示该地区的销量有所上升。2023年第二季度，工业聚合物3D打印机，特别是联泰科技的光固化产品的销量在中国增长了66%。另一方面，西方供应商的3D打印机销量下降了15%。  按材料划分的工业聚合物3D打印机系统出货量（图片来自 CONTEXT）  工业金属3D打印市场仍以粉床熔融工艺为主，这些3D打印机占2023年第二季度所有工业金属系统出货量的74%。西方工业金属3D打印机出货量同比下降12%，而中国供应商的出货量增长1%。 CONTEXT指出，制造商现在不再关注3D打印机的出货数量，而是更多关注更大、更高效、更昂贵的型号的销售。因此，尽管西方厂商的粉床熔融设备出货量在2023年上半年同比下降了5%，但收入却增长了21%。这些3D打印机的特点往往是拥有大量的激光器。实际上，超多激光金属3D打印机的开发，是由SLM Solutions和Velo3D等最早开展的，但很明显中国目前在该技术领域正在经历更疯狂的探索。  工业金属粉末床熔融3D打印机系统出货量（图片来自 CONTEXT） 在中国国内，铂力特、华曙高科、易加三维、永年激光等公司均推出了配备超过15台激光器的3D打印机，目前最多的激光器数量可以达到36台。随着这些新的多激光器产品投放市场，CONTEXT预计，尽管出货量下降，收入仍将增加。但笔者认为，此类打印机的需求量是需要关注的另一个焦点，而且初代产品的市场认可度也值得商榷。 2. 中端和专业3D打印机市场增长不尽相同 CONTEXT数据显示，2023年中端3D打印机的销量已经连续两个季度超过了专业价位的3D打印机。第二季度中端3D打印机的出货量同比增长7%，较上一季度增长2%。这一增长主要是由桌面机聚合物粉末床烧结3D打印机推动的，该打印机主要来自Formlabs。中国国内光固化3D打印机出货量的增长（主要来自联泰科技）也影响了这一增长。联泰科技最新的中等价位3D打印机系列的销售加速，为近期的增长做出了贡献。据称，Formlabs 最近的成功源于创建了其桌面型SLS  3D打印机。然而数据显示，这些3D打印机的出货量开始趋于平稳。    第二届全国技能大赛指定光固化3D打印机联泰科技AME RH2500 另一方面，在专业3D打印机领域，继2023年第一季度出现类似下降之后，2023年第二季度的单位出货量同比下降了30%。FDM/FFF 3D打印机出货量下降了36%，而SLA系统的出货量下降了30%。据报道，业绩不佳是由UltiMaker和Formlabs造成，这两家公司的出货量同比大幅下降。   消费级3D打印机的出货量增长了12%，系统收入同比增长22%。报告称，这一成功完全归功于Bambu Lab和AnkerMake，后者在Kickstarter众筹活动中继续取得成功。排除两家公司后，个人3D打印机出货量较2022年第二季度下降了28%。 报告称，创想三维的个人3D打印机出货量略有增长，然而大多数其他供应商的出货量同比下降了两位数，前者在桌面3D打印机市场仍然占据主导地位，并且仍然被认为是DIY套件和爱好类别中的“无可争议的领导者”。该公司的出货量增长了 4%，其竞争对手Prusa Research第二季度单位出货量则同比下降7%。      3. 不同的宏观经济预测导致前景喜忧参半 总体而言，CONTEXT重点介绍了2023年第二季度的混合单位出货量结果。成本超过2500美元的十大收入领先的3D打印机制造商中，有一半的出货量同比增长，包括EOS、联泰科技、HP、Velo3D、Nikon SLM Solutions。然而，Stratasys、Desktop Metal、3D Systems和Formlabs的出货量都有所下降。 CONTEXT强调了导致这些不同结果的“宏观经济预测的巨大差异”。“许多供应商正在应对更长的销售周期，一些供应商面临订单推迟，而另一些供应商则指出 2023 年第二季度需求强劲；一些人指出复苏的早期迹象，但另一些人仍然认为全球经济环境充满挑战和不确定。”此外，由于全球利率居高不下，CONTEXT指出资本成本限制了新硬件的支出。  工业3D打印机系统单位出货量结果和预测  工业3D打印机系统收入和预测 总体而言，CONTEXT预计到2023年底，单位出货量将增长3%，系统收入将增长14%。通胀价格上涨将推动工业聚合物3D打印机收入增长9%，单位出货量增长5%。    生产更昂贵但更高效的多激光金属粉末床熔融3D打印机的全球趋势不断增长。因此，CONTEXT预计工业金属3D打印机领域的全年收入增长15%。  注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.国内知名工控机品牌研华科技开始使用3D打印技术革新生产 2.先临新品 | 为口腔诊所量身打造的一站式齿科椅旁3D打印系统 3.多材料金属3D打印：高制造成本与高价值回报的博弈 4.过程-结构-属性！两大工具探索金属增材制造技术的基础物理机制

增材制造技术基于离散-堆积的独特成形原理，相较传统制造技术，在降低生产成本、提高生产效率以及制造复杂结构零件方面具有较大的优势，已经在航空航天、核能和医疗等高度定制化领域逐渐代替传统制造技术。传统的增材技术仅限于成形单一均质材料，已无法满足特殊性能零件的生产要求，如火箭隔热罩、热交换管、发动机腔等热端部件，这些零件在工作区域要保持高耐热和高导热性，而在非工作区仅需要保持一定的强度，同时还要求降低生产成本。 多材料增材制造技术是将多种材料按照结构和功能要求集成在一个零件上，在材料成分、形状结构和宏观性能上具有更高的设计自由度，能够通过精确调整将不同的材料沉积到构件的任意位置上，根据环境或结构要求对零件进行特殊定制生产，突破了传统多材料制备技术的诸多限制，适用于制备功能和结构复杂的零件，生产成本低且性能优异，是高性能零件最理想成形方案。 典型多材料体系的组合和应用 由于传统L–PBF设备的送粉系统是通过刮刀/辊式在同层均匀铺粉，难以实现同层或不同层点对点精确沉积多种材料，这成为限制L–PBF成形多材料的主要问题。因此，如何设计传统粉末床的送粉系统成为制备多材料的关键，现有多材料送粉系统分为刮刀送粉系统、超声辅助送粉系统、电子照相送粉系统和刮刀 +超声辅助送粉系统。来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究人员发表了题为“激光多材料增材制造技术研究进展和展望”的文章，介绍了多材料增材制造技术影响界面结合强度的主要因素及消除缺陷的方法；介绍了目前不同的送粉方法和每种送粉方法的优缺点；讨论了工艺参数对多材料增材制造的影响规律；最后总结了该技术目前的瓶颈性难题，展望了未来的主要研究方向。 多材料 L–PBF 送粉系统示意图 01刮刀送粉系统 刮刀送粉系统是最早实现多材料打印的装置，两个或多个粉末容器可以分别储存和输送两种或多种粉末。但是这种送粉系统仅可制造沿沉积方向上的多材料构件，难以实现同沉积层的多材料沉积，可适用的材料体系有限，因此不具备发展潜力。新加坡的研究人员升级了标准 L–PBF 的送粉系统，使用双粉末仓成功实现了铜 –不锈钢双金属的成形，这种成形制件存在尖锐的材料界面，材料突变极易在材料界面处产生孔隙、裂纹和分层等缺陷，难以实现商业应用。  多材料构件打印过程02超声波辅助送粉系统 超声波辅助送粉系统最早是在选择性干粉输送中得到广泛研究，该装置可以以均匀的送料速率送粉，其精度可以达到微米级水平，但是逐点超声波送粉的效率较低，限制了该送粉系统在粉末床中的应用。曼彻斯特大学的研究人员使用超声波振动按照不同的几何模型将多种材料的干粉颗粒输送到粉末床上，成功激光成形了二维的多材料组件。  03电子照相送粉系统 电子照相技术在工业印刷行业的应用非常成功，它是利用静电力将材料选择性地转移到基材上，因此，有学者提出将电子照相技术应用在3D 打印中来实现多材料选择性增材制造。虽然该系统能够快速、精确地输送多材料粉末，但是堆叠成三维零件仍存在一定难度，因为电场会随着沉积厚度的增加而减小。Stichel等开发出一款基于粉末床的电子照相送粉系统，证明了该送粉系统制造多材料具有可行性，并且在印刷粉末层的表面和光电导体之间实现恒定电势，降低了沉积层厚度相关性。电子照相技术目前仍存在不足，如工艺参数不当会导致粉末意外掉落，极易造成粉末污染，此外还需要对沉积的粉末进行材料和粒度上的分类。  由FraunhoferIGCV系统创建的多材料3D打印部件 04刮刀 + 超声辅助送粉系统 刮刀 + 超声辅助送粉系统是目前比较理想的解决方案，该系统由曼彻斯特大学的研究人员提出，集成了刀片和超声粉末分配器，并且使用真空粉末抽吸装置，能够精确去除粉末。通过超声波振动激励信号精确控制粉末流的开始和停止，使用超声波振动可以改善干粉流动，破坏粉末团聚，确保实现稳定且连续的粉末流动。使用该装置成功制备出一系列的316L不锈钢和Cu10Sn铜合金组成的多种金属材料制品，证明了该系统不仅具备可行性，还提高了粉末沉积效率，但送粉效率仍需进一步提升。 多材料 L–PBF 送粉系统示意图 曼彻斯特大学打印的多材料零件 与传统单一材料的设计不同，多材料成形软件应具备对材料力学性能、空间分布和几何形状进行设计的功能，基于体素建模的3D CAD软件可以实现这些功能，但是需要建立完备的材料学资料库来匹配，目前仍不具备多材料增材制造成形的专业性。而市面上仅有的几款软件，如ParaMatters和Monolith等多材料增材制 造工具软件主要用于成形聚合物，对于金属材料的应用较少，因此今后需要对多材料增材制造软件进行深入探索和设计。 作者介绍 韦超，博士，正高级工程师，博士生导师。现任激光极限制造研究团队负责人，研究领域包括：多材料增材制造、难加工材料激光复合加工。已获中国科学院、浙江省等人才项目支持，已被纳入中国科学院特聘研究岗位。任《极端制造》国际期刊青年编委、中国机械工程学会极端制造分会委员、英国机械工程师学会特许工程师/会员、英国激光用户协会青年委员会委员。 激光极端制造研究中心（隶属于中国科学院宁波材料技术与工程研究所），成立于2022年6月，英国皇家工程院院士李琳教授担任中心主任。现有研究团队百余人。前沿科学研究聚焦于揭示激光与材料作用新机理，具体研究方向包括：单原子材料物化反应机理及调控、奇异光场与物质作用机理及调控、复合能场相互作用机理及调控；工程应用研究重点针对难加工材料激光制造工艺与装备，具体研究方向包括：脆硬材料激光加工、复合材料激光加工、高端合金激光加工、纳米材料激光调制、极端环境材料加工。 注：本文内容来自《激光多材料增材制造技术研究进展和展望》，已获作者团队授权。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.数十激光+米级幅面！2023年国内重量级SLM金属3D打印新品装备一览 2.SLM-可进行多金属3D打印的材料体系，制造潜力、难点与要点 3.SLM-3D打印一体化多金属材料散热器，揭示未来应用潜力 4.调查研究：金属增材制造技术行业应用差异及释放潜力的条件

对于粉末床激光熔融工艺（LPBF）来说，粉末逐层扩散和熔化的基本思想是简单的，该过程涉及一系列高动力耦合物理现象，包括粉体动力学、传热学、物理学等。流体动力学、相变、热应力和变形，导致极其复杂的过程-结构-属性关系。粉末扩散过程实质上是许多粉末颗粒与刮刀和基板(或已打印部分)之间的相互作用，而惰性气体流量也可能会有影响。这里的驱动力主要包括重力、碰撞、正常接触力、滚动和滑动摩擦，同时还有像范德华力一样的附着力以及静电排斥力，粉末床的质量会影响随后的熔化过程。在激光熔化过程中，激光束在粉末和熔池表面之间反射，向材料中传递能量。根据熔池的形状和尺寸，一般熔化模式分为传导模式和锁孔模式。传导模式是在相对较低的激光功率强度下实现的，产生一个半圆形的熔池。相比之下，使用相对较高的激光功率，会引起强烈的金属蒸发，并在熔池中形成一个较深、细长的腔，就出现了锁孔模式。此外，在这两种模式之间还存在一种过渡模式。 高能量强度引起包括对流、传导和辐射在内的高瞬态热传递；按照诱导非平衡相变，包括熔化、凝固、蒸发和凝结，使熔化的液体和蒸气与周围的气体和粉末颗粒更加复杂。当粉末动力学改变了原粉末床的结构，而阻力等驱动力与粉体扩散时的驱动力大不相同；另外，由于蒸发、扩散、对流和化学反应，化学成分也会发生变化，如氧化作用反过来影响多相流行为。多相流动会直接导致许多缺陷，如孔隙和包体。这些极端的热条件，不断变化的边界和成分条件显著影响了组织的演化，如从晶粒成核、生长到粗化，这些本身基本上是长期存在的科学问题，特别是对含有3个以上成分的合金而言。独特的自建微结构通常远离传统的准平衡相图。糊状带中的树突生长反过来会影响熔化液在熔化池边界附近的阻力。已打印部件的机械性能直接由微观结构决定；例如，柱状颗粒会导致各向异性，由于在树突间区域的脆性相可以降低延展性。另外，在凝固过程和随后的循环加热和冷却过程中会出现大的温度梯度，再加上某些材料中的固态相变，通常会导致显著的热应力和变形，从而降低拉伸强度、尺寸精度，热应力有时甚至会在缺陷发生时导致裂纹(凝固裂纹、液化裂纹和变形裂纹)或不利的微结构，这是致命的失败。热应力反过来又可能影响微结构的演变；例如，已证明增材制造的金属中的高密度位错主要是由压缩-张力热应力循环引起的，热应力可能促进动态再结晶。到目前为止，过程-结构-属性之间的关系还远未得到全面的理解，即使是对于那些非常普通的、成分简单的金属也是如此。 在上述过程-结构-性质关系中，有许多影响因素，即使是一些不受控制的或不可避免的变化，如在储存和再利用过程中粉体的表面氧化，也会引起制造工艺并通过整个过程-结构-属性链进一步传播。此外，这些影响因素中有很多都与材料的性质有关，通常需要经过多次反复试验，才能确定每种新材料的适当制造参数窗口。粉体的扩散特性和粉层的质量对粉体的扩散参数和粉体性能均有敏感性。有些是可以控制的或稳定的，如扩展速度和固有材料性质，但其他诸如粉末尺寸分布、形态、表面粗糙度、氧化物膜，在粉末生产、储存和再利用期间可能有所不同。在熔化过程中，影响激光特性的因素包括波长、极化、光束形状和尺寸；制造参数有激光功率、扫描速度、扫描间距等；以及粉末和材料的参数，如导热性、表面张力、粘度和比热，其中大部分取决于当地温度和化学成分。从凝固过程中的晶粒/树突晶成核和生长到凝固后的各种固态相变的非平衡微观结构的演变，不仅受到中尺度熔池流的位置和时间依赖的热/合成条件的影响，而且还受到微观尺度的沉淀和溶解的影响，在这些条件下，更多的材料参数起着重要作用，但更难在实验上测量或从理论上近似。机械性能主要由微观结构决定，也受残余应力的影响较大。残余应力来自热应力的演化，并由热条件、组织演变和材料参数共同决定。模量、泊松比及热能膨胀系数会随温度而变化。这些影响因素对有效选择和优化制造参数提出了挑战，特别是那些无法控制甚至不明的参数对确保质量一致性提出了巨大挑战，这是阻碍许多工业广泛应用的瓶颈问题。 另一方面，这些影响因素为操纵制造过程、调整微结构以及调整机械性能的一致性提供了大量的机会。另外，一些外部的磁场、超声场可以实现进一步调控结构和属性。采用激光束成形控制不锈钢熔池的时空演化，从而获得了较低的孔隙度、较好的表面质量。在打印过程中添加活性气体，大尺寸的氧化物颗粒在Lpbf过程中改善了常温和高温力学性能。在激光粉化工艺中应用了高强度超声波，实现了钛-6Al-4V样品中柱状晶粒向细等轴晶粒的完全过渡，同时提高了屈服应力和拉伸强度。然而，大多数实验研究的重点是某些金属合金的微观结构和力学性能，而不是制造的动态过程和微观结构的演变。因此，对过程-结构-属性关系仍缺乏全面的了解，而且由于以往实验结论的推广有限，今后对不同材料和设备的研究在很大程度上仍然主要依靠昂贵的试错实验，而不是具体而明确的指导。 为了解决质量不一致的问题，有效优化各种材料的制造参数，充分发挥操纵制造过程、微观结构演变和机械性能的潜力，必须研究基本物理机制，以便深入了解过程-结构-性能关系和这些影响因素的影响。传统的实验定性方法主要获得间接证据，不足以理解制造过程中复杂的动态现象。最近的研究进展表明现场实验和基于物理的计算建模是强有力的工具，提供前所未有的深入了解潜在物理机制。 一方面，实验数据提供了直接证据，可以用来验证仿真模型。另一方面，模拟结果可以提供更多无法在实验中测量的信息，并以更清晰、更量化的方式解释实验观测的机制。更重要的是，理解物理机制的最有效和最有力的方法是整合和协同现场实验和高保真物理建模。因此，有必要一并审查这两种研究工具，其目标如下：(1)了解它们的重要性和局限性，这些重要性和局限性主要是相辅相成的；(2)强调整合这两种工具的巨大协同作用；(3)确定值得今后研究努力的宝贵专题。 来自新加坡国立大学和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员为此发表了“In-situ experimental and high-fidelity modeling tools to advance understanding of metal additive manufacturing”一文，刊登在机械制造领域顶刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上。 https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104077 在该研究中，首先介绍了经典物理学中的临界物理现象及其基本原理。详细阐述了现场同步X射线成像和衍射；总结了粉末动力学、熔化池流、微结构演化；同时也简要提到了基于物理模拟结果的数据驱动建模——这是一个不容忽视的发展趋势。最后，讨论了现场实验和高保真度模型的未来前景。 在金属3D打印中用于过程-结构-属性研究的X射线特征化和高保真度建模工具 现场同步X射线用于激光金属增材制制造过程的特征分析 两个典型的小型粉床现场X射线成像装置   高保真模型主要包括粉末动力学、熔池动力学、微观结构演化和机械性能建模 未来现场同步加速器特性化、高保真度建模及其综合应用的前景   本文系统地回顾了两种先进的研究工具，即原位同步加速器X射线表征和高保真度建模，它们用于探索金属增材制造技术的基础物理机理。它概述了原位X射线成像和衍射的基本原理、能力、应用和局限性，粉末动力学、熔池流动、微观结构演变和机械性能的高保真模型，以及数据驱动模型。此外，还讨论了这些技术的局限性、挑战和未来前景。本研究的主要结论如下： 目前，有两种先进的X射线表征工具用于监测金属3D打印的过程。原位X射线成像用于研究飞溅、熔池、凝固和裂纹，而原位X射线衍射能够观察凝固和热循环过程中的相变和应力演化。要获得高质量的结果，需要仔细设置样本厚度和曝光时间，以提高信噪比和空间分辨率。然而，这些技术仅限于二维，因此很难完全捕捉整个过程； 高保真度模型涵盖了多种现象，包括粉末动力学、熔池流动、相变以及应力和裂纹演化。尽管这些模型具有很高的物理保真度，但它们的发展受到两个主要限制：巨大的计算成本和缺乏材料特性。结合这些模型来预测零件的质量，从加工到性能，从微观到宏观，仍然是一个重大挑战； 为了探索L-PBF的基本原理，应该结合使用实验和模拟工具。尽管原位X射线表征和高保真度模型是在不同的平台（真实和虚拟平台）上开发的，但它们共同作为补充工具，探索这些制造过程中涉及的复杂机制； 数据驱动建模可以提供一种更快的方法来提取结果的特征，并通过使用实验和模拟数据来优化处理参数。尽管数据驱动模型有助于预测优化参数和指导制造，但L-PBF的基本原理和结果的物理机制仍然难以解释。 原位同步加速器表征可以直接研究金属3D打印的过程、结构和性能，而高保真度模拟可以分析这些现象背后的物理原理。这两种先进的工具是相互作用的，应该在克服各自问题的基础上结合起来探索金属3D打印的物理机制。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.聚合物3D打印晶格结构的准静态和动态压缩行为 2.ORNL和NASA合作，3D打印一体式月球车车轮，减少组装 3.中华文化：3D打印一次成型，数字回归实现文物1:1复刻 4.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究

能量吸收材料和结构的开发是为了通过变形和损坏来分散或减轻动态载荷的能量，从而保护相关器件免受损害。它们已成为现代技术的重要组成部分，具有广泛的应用，涉及国防、个人防护设备、工业、汽车和航空领域。此外，在性能、重量和人体工程学之间实现良好的平衡通常是吸能材料和结构开发的一个关键目标，因此，许多研究集中在特殊设计和（多）材料解决方案上，如蜂窝结构、拉胀材料、泡沫结构、三周期最小表面结构(TPMS)和张拉整体结构。最近，受自然启发模仿体心立方（BCC）和面心立方（FCC）晶体结构中原子排列的晶格结构由于优异的机械性能引起了广泛研究兴趣。这些结构由立方晶格排列的互连支柱或梁组成，兼具轻质、强度、刚度和能量吸收能力。然而，这些复杂设计的使用通常受到制造工艺的限制。 3D打印无疑已经成为制造这些结构的新技术。通过逐层制造，越来越多的定制结构和创新几何形状得以实现。这项技术的关键优势来自设计自由度，这也是人们越来越感兴趣的原因。此外，该技术可打印多种材料，包括聚合物、金属、玻璃甚至混凝土。3D打印的工艺类型也多种多样，包括立体光刻、选择性激光烧结以及熔融沉积等。熔融沉积（FDM）工艺是一种低成本的消费级3D打印技术，该工艺打印的零件同样具有良好的机械性能，适合多种应用；其次，该工艺原料处理简单，打印部件不需进一步后处理。最后，FDM是一种相对简单且经济高效的技术，可获得广泛使用。 聚合物具有许多优点，包括降低成本和易于设计复杂结构。PLA和ABS是最常使用的两种聚合物，它们具有相对较低的熔化温度，易于通过FDM技术加工。另一方面，Tough-PLA是PLA的改性材料，提高了韧性和抗冲击性，其中添加了增强剂并对PLA的聚合物结构进行了改性，机械性能得以提高。 3D打印蜂窝/晶格结构设计的原理已通过大量研究得到确立，这些研究检查了结构与性能之间的关系，特别是在能量吸收领域。然而，应变率对机械行为的影响也不容忽视，特别是当这些组件可能暴露在严酷的负载环境中时。对碳纤维增强PEEK的动态行为研究发现，随着填充密度的增加，样品的机械强度增加，而变形减少；对PLA的研究发现，韧性会随着应变率的增加而增加。对采用激光烧结3D打印的热塑性弹性体的非线性机械行为(TPE)研究发现，尽管使用了更先进的工艺，但TPE的机械性能根据构建方向的不同而存在显著差异。对激光粉末床熔融(L-PBF)打印的316L不锈钢五种三周期最小表面（TPMS）片基结构在准静态和动态加载条件下的机械性能研究发现，所有五种结构在动态载荷下均表现出改善的机械性能。当前，仍需要对增材制造部件（材料或晶格结构）的动态机械响应进行更多研究，以提供有效的表征方法。 国外的研究人员近期使用FDM技术研究了聚合物晶格结构的机械性能，以探究它们在准静态和动态负载环境下能量吸收应用的潜力。此外，他们尝试建立了两种热塑性原材料的机械行为与3D打印块状样本的准静态/动态行为之间的相关性，以研究它们在准静态和动态下对晶格结构的能量吸收能力的影响装载条件。这些样品使用ABS和Tough-PLA打印，研究还包括评估FDM打印工艺对前驱体长丝机械性能的影响。此外，研究了准静态拉伸和压缩测试下打印方向对样品机械性能的影响，随后测试评估了材料的应变率敏感性。 通过实验，对三种不同晶格结构（BCC、FCC和BCC+FCC）在两种相对密度下的动态和准静态力学性能进行了详细比较。使用落锤对晶格结构进行冲击测试，对两种加载条件下的平台应力和能量吸收值进行分析和比较。 根据ASTMD-637-I标准方法进行拉伸试验的狗骨试样的插图,不同的栅格方向:(a)0°,(b)45°和(c)90°   准静态拉伸试验的实验装置:(a)3D打印试样试验和(b)丝材试验 准静态压缩试验条件:(a)3d打印的样品,(b)晶格结构定位图和(c)准静态压缩试验的实验设置和示意图 分离霍普金斯压力杆测试设置:(a)用于动态压缩测试的霍普金斯压力杆系统的总体视图和(b)霍普金斯压力杆测试设置的示意图 带有单元格的晶格结构的CAD模型说明:基于(a)BCC单元格、(b)FCC单元格和(c)BCC+FCC单元格的晶格结构 3D打印的晶格结构准静态压缩试验的实验装置和示意图 准静态应力-通过对纤维试样进行拉伸试验得出的应变曲线:(a)ABS纤维和(b)Tough PLA 准静态应力----通过对具有不同光栅方向的3d型印刷试样的拉伸试验获得的应变曲线:(a)ABS型试样和(b)Tough PLA试样 动态应力----在3d打印圆柱形试样上进行的具有不同方向的什压压缩试验所获得的应变曲线:(a)ABS试样和(b)Tough PLA试样 用FDM 3D打印工艺,制造具有不同单元和相对密度的3D打印晶格结构 变形过程：在准静态压缩试验下的3d印刷晶格结构(a)BCC试样,(b)FCC试样和(c)BCC+FCC试样 在动态压缩试验条件下,BCC、FCC、BCC+FCC 3d打印结构的变形过程 拉伸试验发现，FDM工艺对原材料的力学性能有很大影响，试样的晶格取向对材料性能有明显的影响。研究介绍了3D打印的ABS和Tough PLA圆柱体的准静态和高应变速率响应。在改变打印路径时，它们的抗压强度没有显著的差异。结果表明，ABS和Tough PLA在高应变速率动态压缩和准静态压缩下均表现出韧性行为。对于两种材料和所有参数配置，与准静态压缩测试相比，在高应变速率载荷下，屈服应力显著增加。 研究发现，晶格的相对密度在控制晶格结构的压缩和能量吸收性能方面起着关键作用。FCC和BCC+FCC晶格显示出具有高初始峰值应力的拉伸主导曲线。与ABS结构相比，Tough PLA结构表现出明显更大的阻力。 与准静态试验结果相比，跌落试验结果发生了显著变化。应变速率的影响在试验中是显而易见的。当暴露在动态负载下时，这三种拓扑结构表现出脆性行为。由于连接处的应力集中，支柱分离，导致结构连续性丧失，从而导致应力曲线大幅下降。这些现象极大影响了晶格结构在动态载荷下的吸收能。这项研究使未来能够对这些结构进行分析，以便更有效的设计它们来吸收冲击能量。解决压缩载荷期间应力集中问题的一种可能解决方案是采用基于表面的晶格结构，如TPMS，与基于桁架的晶格相比，其表现出更平滑的挤压行为。 参考：Experimental investigation of the quasi-static and dynamic compressive behavior of polymer-based 3D-printed lattice structures 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.中华文化：3D打印一次成型，数字回归实现文物1:1复刻 2.ORNL和NASA合作，3D打印一体式月球车车轮，减少组装 3.HP与知名运动品牌合作开发3D打印跑鞋 4.清华大学最新《Science》：开发出无机材料普适性3D打印新方法

近年来，增材制造作为一项生产技术已经越来越重要。特别是，金属激光粉末床熔融工艺已在航空航天、医疗、工具制造以及通用机械和工厂工程等行业实现批量生产。增材制造工艺提供了高度的设计自由度，可以根据发生的负载来优化组件结构，从而可以大量合并零件。功能集成的可能性也已在许多行业得到开发，可以有针对性的制造固态接头或多孔结构。然而，到目前为止，这些组件始终由单一材料制成。 高制造成本与高额回报  仔细观察增材制造的工业应用就会发现，批量生产通常是在高科技应用中实现的。这不仅是因为在高科技领域需要最大的设计自由度以实现优化的器件性能，而且还因为在此类应用中更高的制造成本更可能被接受。其原因是，由于在使用组件过程中不断实现节省，生产成本可以在短时间内得到补偿，甚至过度补偿。 因此，可以进行投资回报计算，其中几年、几个月甚至几天内实现的节省超过了生产部件增加的成本。例如，如果阀块不是通过传统铣削和钻孔方法制造的，而是通过增材制造设计 (DfAM) 进行流量优化，可以减少流量损失。这就可以使用更小的泵体，从而不仅节省投资，而且节省持续的能源成本。鉴于我们已经看到这些高科技领域利用增材制造实现了新的可能性，很明显这些领域也将受益于多材料增材制造。  多材料3D打印工艺步骤 根据ISO/ASTM TR 52912的定义，多材料组件是包含至少两种牢固结合在一起的不同材料。纵向多材料组件的生产（在连续层之间发生材料变化）目前已经可以在大多数商用SLM机器上进行，其过程是首先打印一种材料到一定高度，然后将粉末更换为另一种并以上一种材料打印的零件作为基体继续打印。在该过程中，将面临整个机器的清洁，如有必要，还可能需要进行集尘器、密封组件的更换。  沿工艺链进行多材料加工的挑战 总之，上述方式实现的多材料增材制造相对耗时，所实现的材料复合仅能是二维截面。对于3D多材料部件的打印，两种材料必须同时存在于一层内。因此，3D多材料组件的特点是材料可以随机分布。此时，传统的打印机无法实现多材料粉末的铺设。对于通过SLM工艺生产3D多材料部件，有必要在软件和硬件方面对现有的打印机进行改造，并在每个步骤中调整工艺链。 01模型预处理 首先，材料分布需要由设计者定义。这可以由应用设计师通过自己的专业知识或使用模拟工具来完成。一旦知道所需的材料分布，就需要为增材制造工艺生成零件的三个子模型。对于每个材料部分，需要一个单独的模型（子模型），以便允许在SLM打印过程中进行合适的参数设置。  多材料SLM工艺的零件建模：每个材料部分都需要自己的子模型以允许后续分配参数  多材料零件的参数化，重点关注两种特定材料 A 和 B 之间的过渡区 (C)。说明：Ed = 能量密度，PL = 激光功率，vscan = 扫描速度，dHatch = 填充距离 除了按材料生成的子模型之外，还需要第三个子模型来描述材料之间的过渡区域。对于每个部分，构建过程通常需要特定参数，以确保材料具有足够的质量。这意味着，为了获得高相对密度值和无裂纹材料，每个材料区域的激光功率、扫描速度和填充距离可能会有所不同。此外，根据扫描顺序，可能会发现零件质量存在差异。 02铺粉过程 多材料SLM工艺中最重大的挑战是对多种材料实施铺粉。传统的铺粉机构无法在一次构建作业中应用两种粉末材料。因此，需要对设备和软件进行重新设计才能实现多种粉末的铺设。德国Fraunhofer IGCV 实验室对一台SLM Solutions SLM® 280 2.0进行了改造，使其能够铺设和打印多材料。该机器在一次构建作业中能打印两种粉末材料。此外，铺粉机构配备有抽吸装置，能够去除多粉末层，多材料循环遵循以下步骤： 将材料 A 铺在第 n 层并根据设计进行熔化 未凝固的粉末材料A被抽吸装置吸走 根据 CAD 设计，材料 B 被铺设在第 n 层并熔化，未熔化的粉末材料 B 保留在构建室中 构建平台降低一层高度，并对第 n+1 层重复步骤 1 遵循步骤 1-4 中描述的原理，材料 B 保留在构建室中，而材料 A 则不断地被抽吸装置吸取    Fraunhofer IGCV 实验室的多材料SLM® 280 2.0 机器内部视图 03后期处理 除了单一材料加工中已经熟悉的挑战（例如从零件中去除松散粉末或去除支撑结构）之外，粉末混合物的分离是多材料加工带来的关键挑战。在步骤 1-4 中描述的铺粉过程中，两种粉末材料的混合是不可避免的。理论上，仅去除一种粉末就足够了，通过完全移除材料 A，仅留下材料…

CuCrZr合金由于具有良好的导电性能和力学性能，被广泛应用于国际热核聚变实验堆(ITER)零件、航空发动机零部件、高铁接触线等领域。然而，传统的加工方式（铸造、锻压、拉拔等）难以加工结构复杂的零部件，且加工生产周期长，成本高。近几十年来，3D打印技术发展迅速，采用SLM技术制备CuCrZr合金零部件已成为一种趋势。 铜铬锆(CuCrZr)三元体系主要依靠Cr的析出或CuxZry化合物（如Cu4Zr和Cu5Zr等）来改变微观结构，从而改善物理性能。研究表明，热处理对SLM制备的铜合金有显著影响。 上海理工大学材料与化学学院陈小红教授团队唐湘鹏等研究了热处理对金属3D打印CuCrZr合金力学性能及导电性能的影响。采用SLM制备后的CuCrZr合金屈服强度（YS）高达411 MPa，抗拉强度（UTS）为460MPa，延伸率13%，硬度145HV。然而导电性能较差，只有31% IACS。在500℃下时效1h后，UTS可达585 MPa，电导率为64% IACS。时效后的样品与打印后的相比，力学、导电性能大大提升。 该团队使用的CuCrZr粉末由威拉里新材料科技有限公司提供，打印设备由德国通快公司提供（型号：TruPrint 1000），打印前316L不锈钢基板预热至200℃，打印出了25mm高的样品。 实验过程及实验结果 由于在打印过程中粉末吸收激光能量而熔化且冷却速度快（104 -106 K/s），液态的CuCrZr会快速凝固。因此，打印后的CuCrZr合金由于存在高密度的位错，样品的导电率较低。为改善合金的综合性能，样品需进行热处理。 与传统铸造CuCrZr合金的热处理不同，打印态（AB）CuCrZr样品中铜基体会形成过饱和固溶体，样品可以不经过固溶处理而直接进行时效处理。热处理在CVD管式炉中进行，通入氮气作为保护气体，防止氧化。该团队研究了五种热处理工艺对性能的影响，其中主要分析500℃ 时效1h下的样品（500DAH_1h），因为在本实验中该条件下制备样品的力学性能最好（UTS：585MPa）。 热处理方法及样品大小 经过500℃时效处理1h后，抗拉强度提高至585MPa，同时，塑性略有提高(总伸长率为14.4%)，性能可与传统加工CuCrZr合金相媲美(ASTM C18150)。当时效时间增加到2h时，抗拉强度下降(569 MPa)，塑性变差(6%)。同时，时效温度升至550℃时，抗拉强度和硬度均低于500DAH_1h试样，但延展性有所提高，延伸率达到20%，这可能是过时效造成的。固溶后的样品（SA）的抗拉强度和硬度均低于AB样品，但塑性大大提高，延伸率达到40%。固溶时效的样品（SAAH）强度增强，伸长率降低。在500℃直接时效1h后，CuCrZr样品的力学性能优于其他热处理的样品。 AB样品具有相对较低的导电率(31% IACS)。经热处理后，样品导电率大大改善。500DAH_1h样品电导率达到64% IACS。提高时效温度或时间后，合金的导电性能会增强，这是因为析出行为与时效温度和时效时间相关。SA样品的导电率和导热率较差(56% IACS)。SAAH样品中，溶解在铜基体中的原子析出，由于晶格畸变程度增加，导电率提高到84% IACS。 不同状态下CuCrZr合金的力学性能、导电率及热导率 研究还讨论了四种强化机制（细晶强化、析出强化、固溶强化和位错强化），其中析出强化是对CuCrZr合金最有效的强化方式。理论计算的屈服强度值与实验结果之间的误差不超过15%，误差原因可能与TEM和SEM图像中的测量误差有关，如统计的晶粒大小、析出相大小等。此外打印后，热处理过的CuCrZr合金中也能找出一些的CuxZry粒子，这些粒子也能起到合金强化的作用。在打印成型过程中，由于熔池冷却凝固具有很高的冷却速率，位错会在晶界处受阻形成位错塞积，随后时效处理过程中Cr原子来不及析出而固溶于铜基体中形成过饱和固溶体以起到强化合金作用，强化效果约占理论上计算屈服强度的60%，而形成的固溶体对合金的强化几乎没有作用。位错密度降低也能对合金起到强化作用，最后对于直接时效处理后合金内部晶粒尺寸变化很小，对强度基本没有影响。 理论计算的屈服强度与实际的屈服强度 热处理对电导率的影响表现为，直接时效后，第二相Cr粒子析出，晶格畸变回复，缺陷减少，电导率增加。随着时效时间增加或时效温度的升高，导电率还会由于声子散射的减少而提高。此外，当Cr固溶于铜基体中，位错减少，晶格畸变减少，因此固溶体样品的电导率要高于原始打印态的电导率。直接时效处理的样品电导率要低于固溶后时效处理的CuCrZr合金。SAAH处理后样品合金内Cr沉淀会对声子散射有阻碍作用，从而降低电导率，与固溶体相比，Cr析出物对电子的散射效应更小。除了热处理，孔隙率对导电性有很大影响，这可以通过不断优化打印工艺参数来改善，从而提高导电性。另外，由于粉末中有铁，硅等杂质的存在，难以制备无缺陷的CuCrZr合金。铁，硅等杂质会降低铜合金的导电率。总之，打印工艺参数与打印后的热处理方式都对导电性有很大影响。 总的来说，本研究通过SLM技术，为制备结构复杂的CuCrZr合金零部件提供了新方法。高强、高塑性、高导电率的打印的CuCrZr合金有待进一步研究。  欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.视频：3D打印铜-钢双金属热交换器 2.最新突破：粘结剂喷射完成攻克钛、铜、铝3D打印制造 3.高超声速客机发动机超燃试车，15%零件3D打印制造 4.调查研究：金属增材制造技术行业应用差异及释放潜力的条件

清华新闻网9月29日电 近日，清华大学化学系张昊副教授、李景虹院士和精仪系孙洪波教授、林琳涵副教授研究团队在无机材料的3D打印化学与技术方面取得了新突破。该研究基于纳米晶体表面配体的非特异性光化学交联反应和溶液中输运过程，实现了普适于无机功能材料的纳米级精度直接3D打印。 9月29日，该研究以“基于胶体纳米晶体间光化学键合的无机纳米材料3D打印”(3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals)为题发表在《科学》（Science）期刊上。   3D打印已成为一项革命性的技术并深入地影响了我们的生活。借助3D打印将各类不同的功能材料与丰富的3D结构相结合，可以为构建微纳功能材料、光电集成器件、生物芯片等提供新的手段。但是，目前可用于3D打印的材料一般限于聚合物和部分金属材料，处于电子和信息产业核心，具有优越光、电、磁等性能的半导体等无机材料的直接3D打印则难于实现。其化学本质在于，3D打印结构的稳定性来源于打印材料中原子或分子间的化学键。无机材料如半导体或金属氧化物等难以在3D打印条件下成键，因此往往需要聚合物等作为模板，如此打印得到的混合物中无机物纯度低，无法保持原有的材料特性。  3D Pin打印原理 针对这一问题，研究团队开发了无需聚合物模板的无机材料纳米级精度3D打印新方法（简称为3D Pin）。该方法以胶体纳米晶体溶液为相应无机材料的原料“墨水”，设计了基于光生氮宾自由基的小分子交联剂，利用飞秒激光引发纳米晶体表面配体的光交联反应使纳米晶体间形成稳定的共价键连接，实现了普适性、高纯度（无机组分质量分数大于90%）、高精度（突破光学衍射极限，分辨率可达150纳米）的无机材料3D打印。 无机纳米材料的混合3D打印  该方法将胶体纳米化学设计与飞秒激光制造技术相结合，具有以下优势。胶体纳米晶体的组分多样性和氮宾与配体分子间的非特异性C‒H插入反应使得该方法可以普遍适用于半导体（如II‒VI、III‒V和金属卤化物钙钛矿等）、金属（如金）和半导体氧化物（如氧化铟、氧化钛等），并可实现多种不同材料的混合和异质结构打印；非线性光激发具有的高时空分辨特征使得打印溶液中纳米晶体间的成键和扩散过程高度限域，实现了纳米级精度、复杂三维结构的精密构筑；纳米晶体所具有的尺寸和结构可调性及尺寸依赖的物理性质等使得所打印的3D结构展现出独特的多级结构、高机械性能和优异的光学性质。所打印的II‒VI族半导体手性螺旋结构在宽光谱范围内展示出显著的手性光吸收特性，其不对称因子相比以往研究工作中利用自组装方法得到的半导体螺旋结构提升约20倍。该研究工作开发了无机材料的新的3D打印化学方法，为拓宽3D打印材料库并构建基于无机材料的3D结构与器件提供了新思路。 清华大学化学系博士后李馥、清华大学精密仪器系2019级博士生刘少峰、清华大学化学系2021级博士生刘王宇为论文共同第一作者。清华大学化学系李景虹教授、张昊副教授，清华大学精密仪器系孙洪波教授、林琳涵副教授为论文共同通讯作者。清华大学航天航空学院李晓雁教授、清华大学材料学院李正操教授等合作者为工作作出了重要贡献。 该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、清华大学自主科研计划和清华大学笃实计划、中国科学院战略性先导研究计划等项目的资助。 论文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg6681 注：本文内容来自清华大学新闻网。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究 2.清华大学：3D打印超高强纳米点阵材料，达到理论强度极限 3.清华大学：熔体流动如何影响金属3D打印中的枝晶生长 4.3D打印，半年连发8篇Science/Nature正刊！

铜及其合金由于具有优异的机械性能、热、电性能，被广泛应用于核工业和航空航天工业。在上期内容中，增材制造技术前沿介绍了上海理工大学团队发表的铜合金增材制造技术中对CuCrZr合金增材制造工艺和微观组织结构，本期内容，将介绍该材料的机械、电气及热性能，并对铜合金增材制造的未来进行展望。 1. 增材制造CuCrZr合金机械性能 采用L-PBF制备的CuCrZr合金拉伸性能普遍较低（YS：150-270MPa，UTS：49-347MPa，EL：15-42.4%），硬度（70-100 HV）。直接时效处理后，拉伸强度急剧增加（YS：325-527MPa，UTS：370-585MPa），延展性降低（EL：5-25%），硬度提高到150-200HV。同时固溶退火和时效处理后延展性大幅提高（EL：13–46%），强度降低（YS：218–253MPa，UTS：210–380MPa），硬度略有增加（110–126HV）。经过热处理后，CuCrZr合金机械性能提高，这主要有两个原因。一方面，在热处理过程中，位错密度和热残余应力都会降低。另一方面，纳米级的Cr和CuxZry颗粒在L-PBF工艺或热处理后析出沉淀。一些L-PBF制备的CuCrZr合金机械性能可以与传统的CuCrZr合金相媲美。除了L-PBF制备CuCrZr外，HLADED和AW-DED制备的CuCrZr样品的平均UTS（∼258.7MPa）略高于AW-DED样品（∼232MPa）。同时HLADED样品的平均伸长率（∼41.8%）略高于AW-DED样品（∼37%）。与现成的L-PBF制备CuCrZr合金相比，HLADED和AW-DED制备CuCrZr合金的拉伸性能优于大多数L-PBF制备的CuCrZr合金。HLADED和AW-DED制备的CuCrZr合金均表现出较好的延展性。HLADED样品的拉伸性能优于AW-DED样品。造成这种现象的原因可以用以下三个因素来解释。首先在HLADE过程中，激光能量输入对晶粒进行细化，导致晶粒细化。细化的柱状晶具有较大的晶界以阻止位错运动，强化合金。其次随着激光能量的输入，Cr均匀地析出在铜基体中，从而强化合金。第三，如前所述，HLADED样品的析出想含量远高于AW-DED样品，这是HLADED样品优越的力学性能的原因。到目前为止，没有关于EB-PBF工艺构建的CuCrZr合金拉伸性能的数据。   图7 HLADED和AW-DED CuCrZr合金的拉伸性能：（a）AW-DED和（b）HLADED样品的应力-应变曲线；（c）AW-DED样品的微观组织和（d）Cr沉淀；（e） HLADED样品的微观组织和（f）Cr沉淀；（g，h）AW-DED样品的断口；（i，j）HLADE样品的断口  2. 增材制造CuCrZr合金的各向异性 AM的CuCrZr合金存在拉伸性能各向异性，各向异性源于柱状晶结构，是由于AM过程中的高热梯度和凝固速率引起的。由于铜合金具有更高的导热系数，因此在AM过程中热梯度更大，导致柱状晶粒尺寸较大。L-PBF制备CuCrZr合金的拉伸各向异性如图8a所示。在25°C、204°C和427°C下样品拉伸试验结果如图8b所示。样品在水平面和倾斜平面上的抗拉强度略高于垂直面。在水平面上更好的延展性归因于柱状晶结构。位错可以在不跨越晶界的情况下更容易向打印方向移动，位错堆积沿晶界充当微裂纹，导致延展性降低。样品在垂直面、倾斜面和水平面的断裂特征基本类似，断口中分布着许多韧窝。此外也存在一些缺陷，如未熔化的粉末颗粒。这些缺陷可以作为裂纹萌生部位，对机械性能产生坏处。柱状晶粒（平均尺寸：24.2±21.2μm）平行于构建方向生长。样品在倾斜和水平面上的平均晶粒尺寸分别为16.1±3.7μm和12.2±2.3μm。当测试温度升高（高达427°C）时，所有样品的抗拉强度都会降低，大多数样品的伸长率也会降低（图8）。 图8 L-PBF CuCrZr样品的拉伸各向异性：（a） 具有不同取向的L-PBF CuCrZr样品的示意图；（b） 样品在室温（25°C）、204 °C和427 °C下的拉伸性能；（c-e）SEM分别显示垂直，倾斜和水平平面断裂表面（在25°C下测试）；（f-h）垂直、倾斜和水平平面的CuCrZr的EBSD 3. 增材制造CuCrZr合金的导电率和导热率 表1列出了最近报道的L-PBF CuCrZr合金的电导率和热导率。大多数打印的L-PBF CuCrZr合金具有相对较低的导电性和导热性（∼100W/mK），这是由于L-PBF过程中的高冷却速率在微观结构中形成高密度位错和高热残余应力。此外Cr和Zr原子溶解在Cu基体中，形成过饱和固溶体，导致电导率和热导率性能较差。此外铜合金中的一些工艺引起的缺陷，如气孔、裂纹和未熔化的粉末，以及Fe、O、Si等杂质会导致低导电性和导热性。直接时效处理后热性能有所改善（239-320W/mK）。固溶退火和时效处理后，导热系数急剧增加到297-368W/mK。热处理合金导热系数提高主要是由于热处理过程中热应力的缓解，位错密度的降低和溶解的Cr/Zr原子析出。通常导热系数随着直接时效时间（0.5-6h）或时效温度（420-650°C）的增加而增加，热导率达到最大值（∼330W/mK，相当于∼80%IACS）。到目前为止还没有关于AW-DED或HLADED制备CuCrZr合金的热导率数据。   表1 室温下CuCrZr合金导热率和电导率 4. 不同增材制造工艺制备CuCrZr的总结 不同凝固速率和热梯度导致CuCrZr合金产生不同的微观组织结构，从而导致铜合金具有不同性能。图9是近年来各种AM制备CuCrZ合金工艺、后热处理以及微观结构和性能。通过DED工艺制造的CuCrZr合金具有高导电性和导热性。与PBF制备的CuCrZr合金相比，相对较低的凝固速率和较高的吸收率（95%）是更好的热性能的原因。对热源的高吸收使得在DED工艺中很容易构建CuCrZr合金。由于纳米尺度或介观尺度的Cr/Cr2在DED过程中析出，CuCrZr合金具有很高的抗拉强度，避免了时效处理。 图9 不同AM CuCrZr合金的不同AM工艺，微观结构和性能 5. 观点和结论 对现有文献的分析，大多数关于AM CuCrZr合金的研究工作主要研究室温下打印工艺，机械，电气和热性能的优化，以及AM工艺和后热处理过程中微观结构的演变。图10表明未来AM CuCrZr的发展趋势。由于CuCrZr合金的高反射率和高导热性，通过AM工艺打印铜部件仍然具有挑战性。有一些方法可以解决这些问题。首先，对粉末进行改性以提高对激光的吸收率。其次，通过采用短波长激光，如绿光激光（波长：515nm或532nm）和蓝色二极管激光器（波长：450nm）制备样品，可以大大提高纯铜或铜合金对激光能量的吸收率。未来需要进一步研究短波长激光打印的L-PBF CuCrZr合金。第三，通过优化建筑参数，可以控制铜合金的吸收率和微观结构。第四，采用另一种AM工艺，如EB-PBF和DED工艺，可以避免加工时的高反射率。 图10 AM CuCrZr合金发展趋势 最后作者团队表明，由于L-PBF工艺制备大组件非常耗时，因此预测未来HLADED工艺可能是高效打印燃烧室和其他零件的趋势。此外，可以进一步探索优化的打印参数，以制备全密度构件。为提高性能，AM合金需要进行热处理。然而目前大多数研究工作尚未对AM制备CuCrZr合金经过热等静压处理后的力学和热性能进行研究。尽管在增材制造过程中会析出一些强化颗粒，但有必要对样品进行热等静压处理，以减少工艺引起的缺陷，从而提高性能。目前只有少数关于通过EB-PBF，LP-DED，AW-DED和HLADE工艺制备的CuCrZr合金的研究。到目前为止，大多数研究人员都专注于AM制备CuCrZr合金在室温下的机械，电和热性能。由于CuCrZr组件的极端服役环境，未来需要研究更多实验，如蠕变测试，疲劳测试，高温下的热拉伸测试等。 注：本文内容来自增材制造技术前沿。  欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.五年粉末采购+千万美元大幅面装备开发：美军新部署金属3D打印技术 2.调查研究：金属增材制造技术行业应用差异及释放潜力的条件 3.视频：基于烧结的3D打印让传统粉末冶金焕发生机 4.显著进展：粗粉+大层厚，倍丰实现铝合金高强度、高效率和低成本3D打印

激光增材制造技术基于三维数字模型，使用激光作为能量源，逐层熔化金属材料以形成目标零件。该技术可以生产具有复杂结构的金属零件，但增材制造过程中产生的残余应力会导致变形。本文总结了影响零件残余应力和变形的因素，介绍了检测零件的残余应力与变形的常用方法，并比较了它们的应用、优缺点，阐述了预测零件变形的五种方法，介绍了基于反向补偿原理的变形补偿方法，并提出了今后可用于增材制造零件的变形检测方法。 1、影响残余应力和变形的因素 通过大量研究可知，工艺参数是影响增材制造残余应力和变形的重要因素之一，其中包括激光功率、扫描速度、粉末层厚度、扫描间距、预热温度等。除此之外，影响零件残余应力和变形的另一重要因素是激光扫描策略。常用的扫描策略包括单向线扫描、往复线扫描、螺旋线扫描、分区扫描和层间旋转扫描策略等，如图1所示。 图1 常用的扫描策略 2、残余应力检测 表1列出了几种常用的测量零件残余应力的方法。 2.1钻孔法 钻孔法的测量原理如图2所示，在待测位置钻一个直径为2a的小孔，小孔周边残余应力失衡得到释放，材料发生轻微的形态变化，根据测得的应变释放值可以得到测量位置的残余应力。 图2 钻孔法测量原理图 2.2轮廓法 轮廓法是沿特定目标平面对工件进行切割，垂直于切割表面的残余应力失去了工件本身的约束而自由释放，导致切割表面的变形，变形量与垂直于目标平面的残余应力大小成正比。根据Bueckner叠加原理，利用有限元模拟软件建模即可反推出目标平面的原始应力场，得到工件垂直于切割表面方向上的残余应力，测量原理如图3所示。 图3轮廓法测量残余应力的基本原理和步骤 2.3 X射线衍射法 X射线衍射法（XRD）的测量原理如图4所示。当样品中存在残余应力时，晶面间距发生变化。当布拉格衍射发生时，产生的衍射峰相应地移动，移动距离与应力有关。残余应力可通过用波长λ的X射线照射样品并测量相应的衍射角2θ来获得。 图4 X射线衍射原理图   2.4中子衍射法 中子衍射法以中子流为入射束照射试样，试样晶面发生布拉格衍射得到衍射峰。该方法的测量原理与X射线衍射法相似，但与X射线相比，中子具有更强的穿透能力，更有利于测量材料或零件内部的残余应力。 3、变形检测 3.1三坐标测量机 三坐标测量机（CMM）是将被测物体置于三坐标测量机空间，采用探头探测被测物体，来获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，计算出被测物体的几何尺寸、形状和位置。 3.2 X射线计算机断层扫描 X射线计算机断层扫描（XCT）使用X射线管发射X射线束，待测样品围绕固定轴旋转，探测器以不同角度收集样品的投影图像，然后使用计算机恢复物体模型的三维结构。这种测量方法可以清晰、准确和直观地显示被检测物体的内部结构、成分、材料和缺陷状态。测量原理如图5所示。 图5 X射线计算机断层扫描测量原理图 3.3激光位移传感器 激光位移传感器利用激光技术进行测量，以非接触的方式精确测量待测物体的位置、位移等。激光位移发射器将镜头发射出的激光射向物体的表面，物体的表面出现一系列反射情况，其中一束反射的光线回到激光位移传感器当中，根据光线反射的角度和激光位移传感器的距离来测量待测物体的位置和位移等。测量原理如图6所示。 图6 激光位移传感器测量原理图 3.4数字图像相关法 数字图像相关法（DIC）通常采用CCD相机拍摄物体变形前与变形后表面上的自然散斑或人工散斑图像，而后计算机通过搜索变形前后两幅图像的匹配点来检测位移。 4、变形预测 4.1热-力耦合模型 在增材制造的热-机械耦合模型中，应力和温度两个物理场相互作用。然而，过程的整体热-机械耦合特性非常复杂，使用精细网格模型进行多次扫描的热-机械分析通常非常耗时。4.2多尺度建模方法 在零件变形的分析中单独采用宏观模型或微观模型是不现实的。多尺度模型可用于研究不同长度和时间尺度下的材料特性，为连接不同尺度下的模型提供了桥梁，允许适用于不同尺度的模型相互交流，以研究材料的不同特性。 4.3改进的固有应变法 固有应变法广泛应用于焊接问题，是残余应力和焊缝裂纹的来源。如果已知固有应变，则可通过热弹-塑性有限元分析计算残余应力和变形。由于AM的热变形在原理上与焊接的热变形相似，改进的固有应变法已被应用于AM领域。 4.4降阶模型 降阶模型是对随时间变化的多维物理过程的低维近似描述，可以减少计算量，节省计算时间。降阶模型具有更快的计算速度，特别是在自由度更大的情况下，但原始系统中保留的信息更少，模型精度将降低。 4.5机器学习 机器学习（ML）是对计算机算法的研究，它可以通过巨大的数据集和连续的训练来自动改进数据分析模型。在ML中，模型被不断训练以从大量数据中发现模式和相关性，然后根据数据分析的结果做出最佳决策和预测。预测精度随着数据的增加而增加。 5、变形补偿 在零件变形预测的基础上，将零件的变形反向补偿给制造零件的初始几何体，以消除或减少零件的变形，如图7所示。   图7 反向补偿概念 6、展望 近年来，随着激光增材制造制造的金属零件残余应力和变形测量方法的发展，为了避免对试件的损坏，无损检测方法越来越受到研究者的重视和广泛应用。其中，光学测量方法由于其非接触和其他优点而被应用最广泛。在金属零件的残余应力和变形预测方面，ML所需的模拟计算量和数据量相对较大。为了显著降低计算成本和提高工作效率，可以努力研究将降阶模型与ML相结合的方法。 原文：沈阳航空航天大学，Bo He, Cheng Bi, Xiaodan Li, Wei Wang, Guang Yang. Residual stresses and deformations of laser additive manufactured metal parts: a review. International Journal of Material Forming 16, 7 (2023). https://doi.org/10.1007/s12289-022-01729-w 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.预热至1000℃，电子束3D打印无残余应力零件 2.纯钽点阵3D打印：加工、微观结构和工艺引起的缺陷 3.北理工：增材制造中高强铝合金的缺陷与力学性能研究进展…