在LPBF金属3D打印工艺中，激光与粉末相互作用过程中的工艺不稳定性导致了各种缺陷的产生，特别是大飞溅物的随机形成使得缺陷不可预测，进而成为质量控制的一大挑战，因为它可能导致严重的打印故障（如卡刀、粉末床均匀性、表面凹坑、球化、熔道变形等）和零件缺陷（如未熔合孔隙、夹杂等）。由不可预测的缺陷引起的零件质量不一致是LPBF工艺在各个行业广泛采用的最突出问题，特别是对于关键应用场景。 飞溅产生的原因 当高能激光束撞击粉末床时，局部激光加热导致表面沸腾，形成强烈的蒸汽射流。蒸汽射流产生的反冲压力将熔体表面向下推从而形成蒸汽凹陷（也称为凹陷区或小孔）；蒸气射流的高速向上蒸气流将粉末和液滴喷射出去，形成飞溅物，并诱导周围气体流向激光束，从而引起粉末夹带。 a.聚焦激光束打印复杂的几何形状；b.LPBF过程不稳定性导致大量飞溅物的产生；c.大飞溅引起的缺陷；由于激光吸收率对入射角的强烈依赖性，不均匀的能量吸收导致不均匀的汽化，从而使熔池表面（液-气界面）上的反冲压力不均匀。不均匀的反冲压力引起液气界面的波动，进而引起激光能量吸收和蒸气压的波动。相互支撑的能量吸收波动和液体表面波动导致强烈的激光粉末床相互作用不稳定性，例如熔池/蒸汽抑制波动和气流驱动的飞溅碰撞。蒸汽下降波动导致熔池中的液体破裂和气体驱动的飞溅碰撞可导致形成大飞溅（此处定义为尺寸大于100 µm为飞溅物）。 激光打印产生大量烟尘及全新优化的风场舱室设计和多孔风墙专利技术（来自：slm solutions） 通过优化工艺参数可以改变飞溅的数量，但不能消除大飞溅，因为该方法不能改变激光与粉末床的局部相互作用的内在性质，消除大飞溅物的随机形成仍然是一个挑战。 使用纳米粒子消除大飞溅 来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员报告了一种通过使用纳米粒子来控制激光-粉末床相互作用的不稳定性从而消除大飞溅物的方法。大飞溅颗粒的消除将使3D打印零件具有良好的一致性和更高的性能。研究人员揭示了两种机制协同工作以消除所有类型的大飞溅：（1）纳米粒子对熔池波动的控制消除了液体破裂引起的大飞溅；(2) 纳米粒子对液滴聚结的控制消除了液滴碰撞引起的大飞溅。同时得出结论，纳米粒子能够同时稳定熔池波动和防止液滴聚结，为减少金属增材制造中的缺陷提供了一种潜在方法。 研究人员使用6061铝合金通过添加4.4vol.%的TiC纳米粒子进行了对比实验，并采用原位高速X射线成形分析了粉末床激光熔化过程。 d–i：原位X射线图像显示Al6061和Al6061+4.4vol.%TiC 在相同工艺参数 ( d , e ) 和相同熔化模式、传导模式 ( f , g ) 和锁孔模式 ( h , i )；黄色虚线圆圈表示大的飞溅物；j, k SEM图像显示了打印后的 Al6061 ( j ) 和 Al6061+4.4vol.%TiC ( k )的顶面观察到大飞溅物的消除。研究发现，在不添加纳米粒子的情况下，成形过程中出现了很多大于100μm层厚的大飞溅颗粒；与此形成鲜明对比的是，当粉末中掺入TiC纳米粉时则没有观察到大的飞溅。研究人员发现，纳米粒子的引入增加了蒸气凹陷深度，这主要是由于纳米粒子的吸收率增强引起的。但为了确认大飞溅消除不是由蒸汽凹陷深度的变化引起的，并且不仅限于某个工艺参数，随之在宽范围的工艺参数下进行了原位X射线成像实验，在所研究的所有处理条件下都观察到纳米颗粒能够消除大飞溅物。 消除飞溅的机制 为了揭示纳米颗粒能够消除大飞溅物的机制，研究人员进行了深入的原位高速X射线成像研究，并发现了两种协同作用以防止大飞溅形成的机制。 第一个机制是纳米粒子稳定了蒸汽抑制波动，从而消除了熔池中的液体破裂。正如预期的那样，在无纳米粒子添加的Al6061中，观察到液体从蒸汽凹陷边缘周围的熔池中分解形成飞溅物。模拟研究表明，液体破裂是由流体动力引起的惯性压力克服表面张力引起的毛细压力引起的，这类似于水的飞溅。然而，在Al6061+4.4vol.%TiC中，没有观察到液体破裂（甚至没有液体突出）。 两种材料模式下的成形过程观察 在无纳米粒子添加的Al6061中，观察到液体从蒸汽凹陷边缘周围的熔池中分解形成飞溅物 对蒸汽沉降深度和宽度波动的分析表明，没有液体破裂可归因于蒸汽沉降波动的稳定。假设蒸汽抑制波动的稳定源于纳米粒子诱导的粘度增加，产生粘性应力以平衡反冲压力所需的液体表面变形更少，从而导致更少的蒸汽压波动。随着蒸汽压波动的减少，液体动量突然增加的驱动力得到缓解。如果没有足够的液体动量，惯性压力无法克服表面张力引起的毛细管压力，从而导致飞溅。 第二个机制是纳米粒子在碰撞过程中阻止了液体飞溅物的聚结，从而消除了碰撞引起的大飞溅物。由于激光-粉末床相互作用区域周围的气流密集且混乱，因此在LPBF过程中，粉末碰撞经常发生。当Al6061中的两个液体飞溅物碰撞时，两个飞溅物合并形成一个大飞溅物。碰撞引起的团聚是大飞溅物形成的主要机制，通过优化工艺条件或调整合金成分很难克服。然而，当加入TiC纳米粒子后，液体飞溅物可以在碰撞后立即分离。两个碰撞的飞溅保持了它们的初始大小。碰撞的唯一后果是它们的移动方向和速度发生了变化。 当Al6061中的两个液体飞溅物碰撞时，两个飞溅物合并形成一个大飞溅物 当加入TiC纳米粒子后，液体飞溅物可以在碰撞后立即分离 对防止聚结的机制研究发现，TiC纳米颗粒覆盖了原料粉末的表面，当粉末熔化时，液滴表面的纳米颗粒在它们碰撞时会产生毛细压力屏障，防止液滴聚结。在激光相互作用区，粉末可以被加热到非常高的温度，这种高温可以消除熔池区域中的毛细压力屏障，从而允许纳米颗粒包裹的粉末进入熔池。 纳米粒子的引入消除了缺陷并提高了材料性能 大飞溅物的消除使零件中的缺陷显著减少。表面轮廓测量表明，表面粗糙度 (Ra) 从20±3 µm减少到2.1±0.2 µm，降低90%；分辨率为2 µm的X射线成像检查表明，加入TiC的样品中未检测到孔隙，但未加纳米粒子的样品观察到了很多孔；此外，分散在Al6061基体中的纳米粒子，还将样品的晶粒细化了一个数量级以上，有效的晶粒细化可消除热裂纹。 a , b：Al6061(a) 和 Al6061+4.4vol.%TiC (b)的打印顶面表面轮廓；c：打印顶面的表面粗糙度 (Ra) 和最大高度差 (Rm)；d, e：打印后的Al6061(d) 和Al6061+4.4vol.%TiC(e) 样品的X射线图像；f：SEM图像显示了TiC纳米颗粒在打印后的Al606+4.4vol.%TiC的横截面中的分布；g，h：打印后的 Al6061(g) 和 Al6061+4.4vol.%TiC(h)的IPF图像；g中的黑色代表裂缝或孔隙；i代表性拉伸试验曲线拉伸测试结果表明，打印后的Al6061+4.4vol.%TiC的拉伸强度与T6热处理后的变形Al6061相当，拉伸伸长率提高33%；热处理后的 Al6061+4.4vol.%TiC的抗拉强度比锻造的Al6061高123±13 MPa (42%)，并且仍保持7.9%±0.3%的合理伸长率。更重要的是，Al6061+4.4vol.%TiC的机械性能表现出良好的一致性（与锻造的…

金属增材制造具有制造复杂几何形状的独特优势，而这些几何形状很难通过传统制造技术获得。作为一种快速凝固技术，与传统铸造技术相比，3D打印在快速液-固相变期间，从枝晶分配到周围液体中的溶质没有足够的时间通过扩散平衡。在液-固界面附近产生的溶质浓度梯度导致枝晶和剩余液体的组成失衡。这种现象是控制最终材料化学不均匀性、相组成和各种机械/功能属性的关键机制。 通常，3D打印的许多合金和工艺开发仅考虑材料的整体成分。这些研究通常涉及大成分和工艺参数集的实验筛选。一些研究已经报告了凝固过程中局部成分变化对整体材料性能的重要性。然而，很少有研究遵循与上述分离和分配现象相关的清晰的热力学和动力学规则。因此，迫切需要为3D打印工艺制定考虑非平衡溶质分配特征材料开发指南。 热裂纹是冶金制造中的一个长期挑战，几乎在所有生产方法中都会发生，如铸造、焊接和增材制造。这些裂纹通常发生在凝固结束时固体分数高于0.9时。它们还具有特征性的光滑裂纹表面，表明在裂纹形成过程中存在液膜。虽然现有理论都证明适用于特定范围的铸态合金，但对3D打印的指导意义有限。这种预测差异的原因归因于铸造和3D打印工艺之间存在凝固速率差异、3D打印所使用的商业合金更为复杂性，在快速凝固还需要考虑的其他材料性能，如高温韧性。 到目前为止，文献中已经报道了与3D打印有关的几种热裂纹特征。通常认为，热裂纹仅发生在高角度晶界处，根据非平衡Scheil模型，较小的凝固范围表明低裂纹敏感性。此外，已经发现，通过注入晶粒细化剂或调整工艺参数，晶粒细化可缓解裂纹的发生。然而，这些措施可能会导致其他性能的恶化，如高温性能。在某些情况下，偏析诱发的第二相也可能通过改变局部残余应力状态使裂纹密度最小化。   来自德国马普所的研究人员近日发表了一项题为《Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturing》的研究，提出了一种基于热力学的增材制造合金设计方法。研究结果可用于指导在相同基础合金上进行进一步的3D打印试验，经过适当的成分和工艺调整，可以获得无缺陷的零件。 在这项工作中，研究人员通过整合、计算和利用元素分配，提出了一种热力学指导的3D打印合金设计的方法。根据合金元素对枝晶间区相稳定性的影响，将其分为三类。研究人员选择了两种热裂纹敏感性高温合金IN738LC来说明这种方法的有效性。选择这种合金作为模型材料是因为其化学和结构的高度复杂性及其商业重要性。为了说明设计过程，研究人员首先在纳米尺度上量化材料的元素分配。基于这些化学信息，通过计算枝晶间区域的固相线温度差，获得枝晶间的凝固间隔。通过模拟所有相的热力学驱动力，评估了各元素分配对相选择和选择性偏析的影响。 打印态的的0.11Si和0.03Si样品的热裂密度差异和相组成 在与0.11Si样品成分相似的标准IN738LC板的固定激光加热实验期间，裂纹成核的原位同步加速器成像 0.11Si和0.03Si样品的枝晶间偏析的原子探针断层扫描 (APT) 测量 0.11Si和0.03Si样品的枝晶间碳化物成分的APT测量 不同条件下固相线温度和驱动力的热力学计算 热力学引导合金的示意图和工艺设计方法 通过0.11Si合金的工艺优化和成分修改来最小化热裂纹 由110W较低的激光功率输入构建的0.11Si合金的APT测量 总之，这项工作为评估和定量计算合金的热裂倾向提供了热力学解释。该方法使用3D打印制造的超合金IN738LC作为模型材料进行了演示。研究发现，热裂纹的发生需要两个必要条件共同作用，即气孔可作为裂纹成核位置，以及存在具有低固相线温度的薄液膜以促进裂纹扩展。虽然在目前的工业环境下气孔难以避免，但通过合金设计消除薄液膜被认为是更好的解决方案。在目前的合金中，研究人员发现在凝固后形成的枝晶间区域中的富硼薄膜大大降低了局部固相线温度。然而，从材料中去除B是不切实际的，因为它对高温合金的高温蠕变性能很重要。在使用精确化学分配信息的热力学模拟的指导下，已经提出并验证了几种可能的裂纹缓解策略。研究人员相信，目前的方法不仅有助于防止镍基高温合金的热裂问题，而且还可以指导设计用于增材制造和一般凝固的无热裂材料。 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;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.清华大学：3D打印超高强纳米点阵材料，达到理论强度极限 2.热处理对金属3D打印CuCrZr合金力学性能及导电性能的影响 3.重庆大学《Nature》子刊：增材制造钛合金取得重要进展 4.NASA工程师总结：航空航天金属增材制造部件的生命周期

导读：近日，3D打印技术参考注意到，香港城市大学的科研人员发表了一篇题为《Lightweight, ultra-tough, 3D-architected hybrid carbon microlattices》的研究，其将3D打印聚合物晶格的强度提高了100倍，同时兼具重量轻和高延展性的特点，超过了迄今为止制造的所有其他微晶格。 对开发具有低密度、高强度和大延展性/变形能力的高性能材料已经存在了几个世纪，时至今日仍然是一个挑战。对于几乎所有的结构材料，包括但不限于金属/合金、陶瓷和聚合物，强度-延展性或强度-密度之间需要进行平衡。一般而言，高强度结构材料往往具有高密度和低延展性（反之亦然），因此难以在工程应用中对这三个相互排斥的关键指标之间寻得最佳平衡。 微晶格/纳米晶格已成为一种优于传统泡沫和气凝胶的优质轻量化结构，3D打印能够为精确控制几何形状带来构建优势。据报道，与所有其他现有轻质材料（<1g/cm-3）相比，热解碳（一种具有特殊结构和性能的气相沉积碳）微/纳米晶格具有优异的比强度，甚至可以优于热解时形成的石墨烯状薄片的高密度，接近理论极限。然而，热解碳晶格通常在低应变下表现出灾难性的脆性断裂行为，导致韧性很低，从而限制了它们的结构应用。热解碳也被证明表现出显著的尺寸效应，其中增加其特征尺寸会导致强度和可变形性降低，这意味着制造坚韧的宏观尺度组件具有挑战性。 香港城市大学的研究人员展示了一种简便的热解方法，可以产生超坚韧、抗断裂的混合热解碳晶格，这与以前开发的热解碳材料完全不同。研究发现，碳化的部分方法是通过在惰性气氛中于接近其降解温度的有限时间内对3D打印的光聚合物微晶格进行热退火来实现的。 聚合物微晶格的制备（基于DLP工艺）和部分碳化 城大团队通过仔细控制热解过程的加热速率、温度、持续时间和气体环境，发现可以在一个步骤中提高微晶格的刚度、强度和延展性。通过一系列表征技术发现，在热解转化过程中，缓慢加热会导致材料聚合物链的不完全转化，从而产生了一种混合材料，其中结构增强的碳碎片和防止复合材料破裂的松散交联的聚合物链协同共存。进一步研究发现，聚合物与碳碎片的比例对于产生强度和延展性优化的零件至关重要。将该理论用于测试，研究团队创建了几个测试打印样件，与原始聚合物微晶格相比，部分碳化的晶格结构延展性增加了两倍以上，强度增加幅度更是超过了100倍。 部分碳化微晶格的力学性能 轻质、部分碳化的微晶格还表现出超高的比能量吸收能力，而不会破裂至致密化应变，超过了迄今为止制造的所有其他微晶格。这对于制造包含缓冲材料的战术、运动头盔具有重要作用。 研究人员还通过细胞培养实验观察到，与直接3D打印的聚合物晶格相比，杂化碳微晶格显示出更好的生物相容性，这意味着部分碳化过程可能带来的好处不仅仅是提高机械性能，还可以扩展到其他功能。这种部分碳化的晶格结构有望用来制造具有较高强度的生物支架。 该研究可用于制作碳化微晶格，对冠状动脉支架具有潜在应用 END 总的来说，香港城市大学的研究团队展示了一种简便的方法，通过部分碳化将本质上低强度、易碎的3D打印光聚合物晶格转变为轻质、高强和高延展性的混合成分晶格。与原始聚合物晶格相比，部分碳化的晶格强度提高了100倍以上，压缩断裂应变增加了一倍以上。这要归功于其成分的协同作用，其中形成的石墨烯片和类金刚石碳增加了强度和刚度，而松散交联的聚合物链形成柔顺的网络，抑制了裂纹扩展并增强了延展性，从而具有超高的比能量吸收能力。 该研究创造了一种制造轻质、高强、抗断裂的碳基结构的新范式。具有几乎任何几何形状（开孔和闭孔蜂窝结构）的超材料，可用于多种工程和多功能应用。 注：研究原文已上传QQ群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展 2.西工大顶刊：增材制造高强韧铝合金！异质微观组织+多种强化机制！ 3.航天关键零部件轻量化(点阵)设计和制造——工信部增材制造典型应用场景项目 4.华中科大开发出一种消除裂纹、同时提高强度和延展性的3D打印镍基高温合金热处理方案

8月2日，国家工业和信息化部公布了首批36个增材制造典型应用场景名单，上海航天精密机械研究所申报的“基于增材工艺的航天关键零部件整体轻量化设计”成功入选。8月31日，3D打印技术参考注意到，上海航天对该项目进行了相关描述。   上海航天基于增材制造技术开发的轻量化点阵+蒙皮整体结构舵翼产品目前已在多个型号上应用，其较传统实心结构和骨架蒙皮结构舵翼可减重10%~60%，可自由调节优化舵翼的质心，提升产品综合性能，且制造工序简化，综合成本降低，是未来舵翼类产品轻量化重要方向之一。 3D打印的轻量化产品，来自上海航天 基于增材制造技术开发的拓扑轻量化支架产品，上海航天目前已在多个宇航型号上实现应用，已配套10余种型号。其较传统铸造和机加工制造支架可减重20%~50%，且制造工序简化，周期短，满足了型号短周期研制的快速响应制造需求，是航天支架类产品发展的必然趋势。 中国空间站上的蒙皮点阵技术应用 在航空航天领域，面向增材制造的结构拓扑优化方案不断被提出，并在航空器上的非主承力结构上得到应用。 北京空间飞行器总体设计部在有关论文中指出，采用自支撑三维点阵结构设计方法，发展了基于蒙皮点阵一体化结构形式的移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法，完成了面向增材制造的中国空间站某相机支撑结构的优化设计，该结构采用激光选区熔化成形（SLM）工艺制造，通过了力学试验考核，实现结构减重50%，基频提高35%，完成了基于MMC方法的蒙皮点阵一体化结构在我国载人航天领域的首次型号应用与在轨验证。 在最近的应用案例中，问天实验舱热控分系统使用了3D打印技术。航天五院研究团队指出，结构轻量化设计是空间站结构研制过程中始终坚持的设计思想，设计团队从结构参数优化、拓扑优化、轻型材料应用、3D打印工艺、多功能结构等多个方面开展减重工作。从直径4米的框体、壁板蒙皮、各类尺寸的支架，到蜂窝板里的一个金属埋件，对每一个零件进行减重设计，并提出了结构加工过程中的重量控制方法，将舱体结构成功瘦身，为其它设备和载荷提供了更多的搭载机会。 一体化支撑结构优化图（来源见文末） 除了问天实验舱，3D打印技术参考从中国空间技术研究院（航天五院）了解到，梦天舱的重要结构件导轨支架在研制过程中也采用了3D打印的薄壁蒙皮点阵结构。 3D打印技术参考还于北京空间飞行器总体设计部在《机械工程学报》发表的一篇论文了解到，航天五院设计的一种封闭蒙皮包裹三维点阵层级结构的设备支撑结构，比采用传统设计及制造方法的结构减重46.4%，实物已应用于某型号卫星载荷支撑任务。 然而，通过3D打印技术制造的晶格单元在机械设计过程中很少考虑增材制造技术本身的约束，导致晶格结构的实际机械性能与设计性能之间存在显著差异。中国空间技术研究院、南京航空航天大学以及北京理工大学方岱宁院士团队合作开展了考虑增材制造几何约束的自支撑晶格单元创新设计策略研究，相关成果成功用于我国多个新型超轻航天器结构设计与制造。 增材制造支撑结构及其在空间站核心舱上的装配状态（来源见文末）   2019年，研制了国际首个增材制造全三维点阵整星结构，并随千乘一号卫星成功发射；2019年，将拓扑优化方法与细观点阵填充相结合，完成了中巴地球资源04A卫星、资源三号03卫星等航天器的关键设备支撑结构的优化设计与研制，实现了在多个型号航天器中的在轨应用；2020年，研制了基于增材制造三维点阵的相变储能装置结构，随天问一号火星探测器成功发射。 同年，我国新一代载人飞船实验船成功验证，试验船搭载了星驰恒动公司研制的60余件金属3D打印产品，涉及三维点阵类轻质材料结构产品。除此之外，月球及火星深空探测器的相变热控制器以及集热器框架也由薄壁和晶格填充结构组成。 由 SLM 制造的自支撑格层试样 封闭蒙皮包裹三维点阵的结构形式可以有效提高支架类结构的设计效率，在航天器结构轻量化方面具有推广应用前景。 超轻型金属晶格结构解决了深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现了极其复杂结构的功能集成。这种外部蒙皮+内部三维点阵、变密度、内部含有流道等特殊复杂的构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生了较大的综合效益。 本文内容参考：1. 上海航天；2. 张啸雨，刘畅，施丽铭，蒋旭东，曾惠忠，周浩，郭旭．蒙皮点阵一体化支撑结构的移动可变形组件优化设计及空间站应用[J/OL]．固体力学学报.https://doi.org/10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.010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;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.北理工院士团队：3D打印几何缺陷对点阵结构力学行为的影响 3.中科院研究：晶格结构的性能差异，材料、3D打印与传统加工工艺 4.考虑工艺约束的3D打印自支撑晶格用于中国新型超轻航天器结构

碳化硅陶瓷具有优异的耐磨性、耐腐蚀、耐高温、抗氧化以及低热膨胀系数等性能，是航空航天、电子信息等领域中的关键材料，特别是大型复杂碳化硅陶瓷构件，如高分辨率空间遥感卫星反射镜镜坯、大规模集成电路光刻机用激光反射镜、高防护系数飞行器陶瓷装甲、高超声速飞行器热端部件及热防护系统等的整体成形技术，对航空航天等国家安全和前沿技术发展有着重要的战略意义。然而，由于碳化硅陶瓷材料具有高温烧结变形大、缺陷敏感性强等特点，烧结后难以加工，因此大型复杂碳化硅陶瓷构件的整体成形成为世界性难题。 为此，华中科技大学材料学院史玉升教授团队提出复杂碳化硅陶瓷构件的激光粉末床熔融、粘结剂喷射/光固化复合3D打印成套技术，在湖北武汉建立研究和产业化基地，在湖北黄石设立中试基地，从碳化硅陶瓷粉末床3D打印的材料、装备、工艺、产业化和应用等环节进行了深入系统地研究，主要技术指标国际领先，解决了高性能大型复杂碳化硅陶瓷复合材料构件的整体成形难题。基于此，2019年教育部批准成立“增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心”，相关研究成果获第二十三届中国专利优秀奖、第一届湖北专利金奖、2021年日内瓦国际发明展金奖等，具体进展如下： 在材料方面：发明了高增材适应性粉体制备方法（图1），实现了粘结剂均匀包覆粒料、纤维粉体的制备【中国发明专利ZL 200710051863.1，中国发明专利ZL 200810048011.1，中国发明专利ZL 202111044831.5】；提出了高效机械混合碳化硅颗粒、碳纤维、粘结剂复合粉体的制备方法，有效改善粉末床成形预制体的力学性能【J. Eur. Ceram. Soc. 40(2020): 5186-5195】；建立复合材料堆积体对激光能量吸收的物理模型，为激光粉末床熔融3D打印复合材料粉末设计及成形预制体质量调控提供理论支持。   图1 粘结剂包覆粉体制备方法：（a）蒸馏冷却均匀降温控制方法；（b）溶剂沉淀制备方法；（c）酚醛树脂包覆碳纤维复合粉体；（d）酚醛树脂包覆木纤维复合粉体在装备方面：研制出大台面复杂陶瓷构件粉末床3D打印方法与装备（图2），目前本团队商业化的陶瓷激光粉末床熔融3D打印装备最大成形尺寸达1700 mm×1700 mm×600 mm。该装备具有多激光、多振镜的扫描系统，配备海量数据处理软件，解决了多激光振镜协同工作、海量数据处理、形坯原位成形、清粉、后固化处理等难题，实现大型复杂陶瓷构件一体化成形【中国发明专利ZL201910447966.2，美国发明专利US11305456，欧洲发明专利EP3744506，日本发明专利JP6896817，俄罗斯发明专利RU2745247C1】。在激光粉末床熔融3D打印装备的基础上，研制出一种高强度大型复杂陶瓷素坯及其粘结剂喷射/光固化复合成形方法与装备（图3），解决3D打印陶瓷素坯强度低、效率低、成形尺寸小等问题，实现高强度大型复杂陶瓷素坯的高效3D打印成形【中国发明专利CN202210982246.8】。 图2 大型复杂陶瓷构件激光粉末床熔融3D打印装备原理图 ：11-激光器，12-振镜，13-保温层，14-加热装置，15-铺粉刮板，16-铺粉缸，17-成形缸，18-成形缸缸壁，19-成形形坯，110-成形台面，111-成形缸缸壁升降装置，112-SLS设备升降装置，113-导轨轮，6-导轨，115-地面 图3 大型复杂陶瓷粘结剂喷射/光固化复合成形装备原理图：10-壳体，11-紫外光激光器，12-紫外光振镜/反射镜，13红外光反射镜，14-红外光激光器，15-保温层，16-粉床预热单元，17-铺粉辊，18-送粉缸，19-集成喷嘴，20-隔离单元，110-成形缸，112-成形缸升降机构 在成形工艺方面：发明碳纤维/碳化硅复合材料构件的激光粉末床熔融整体3D打印方法（图4）【中国发明专利ZL201710238622.1，美国发明专利US 11021402，欧洲发明专利RU 2728429，日本发明专利JP 6859441】，建立工艺参数、预制体微观结构和复合材料构件性能之间的耦合关系，揭示预制体在反应烧结后的结构演变规律和相界面成形机制【J. Alloys Compd. 792 (2019) 1045-1053】，阐明碳纤维对碳化硅复合材料的强韧化机理【J. Eur. Ceram. Soc. 38 (2018) 4604-4613】；建立碳前驱体悬浮液浸渍预制体强化方法，研究酚醛树及添加纳米炭黑对碳化硅性能的影响规律，从动力学角度阐明了预制体浸渗碳源的物化特性与最终碳化硅陶瓷复合材料微观组织的关系【Ceram. Int. 46 (2020) 12102–12110.; Ceram. Int. (2022)】。整体成形出碳化硅陶瓷复合材料构件（图5），相对密度＞99%，抗弯强度＞250 MPa。 图4 碳纤维/碳化硅复合材料构件的激光粉末床熔融整体3D打印方法 图5 粉末床熔融整体成形碳化硅复合材料构件（a）米级航天反射镜镜坯；（b）光刻机方镜 在产业化方面：史玉升教授团队技术孵化的武汉华科三维科技有限公司，是华中地区资历雄厚的专业3D打印装备、工艺及材料的产业化平台，注册资本6000万元人民币，除了从事高分子和金属3D打印装备与工艺外，还开展陶瓷3D打印装备及工艺的研发，形成了工作台面250mm×250mm、1000mm×1000mm（图6）、1700mm×1700mm等系列碳化硅陶瓷3D打印成套装备，并实现商品化。成套装备及其工艺成功应用于中国航发北京航空材料研究院、哈尔滨东安动力、宁波伏尔肯、成都光电技术研究所、清华大学、西北工业大学等科研院所和公司等，用于复杂陶瓷构件的整体成形。 图6 武汉华科三维科技有限公司生产的激光粉末床熔融装备-HK C1000，（a）1 m装备整体图；（b）激光振镜扫描系统；（c）双向铺粉系统 在飞行器热端构件应用方面：采用3D打印制备了耐高温烧蚀和抗热冲击的SiC复合材料，通过在材料内引入一维陶瓷纤维，结合特殊孔道设计，实现结构减重的同时保持良好的耐烧蚀性能（1650℃×1h空气气氛条件下质量损失率≤0.05g/m2∙s）和抗热冲击性性能：其室温1300℃升温和1300℃10℃骤冷循环次数相较常规3D打印SiC材料提升超过300%，基于该工艺制备的小型3D打印SiC复合材料构件已通过初步考核试验（图7）。 图7 3D打印SiC构件抗热冲击性能测试和构件结构示意图：（a）抗热冲击测试（升温）；（b）抗热冲击测试（降温）；（c）高温多孔SiC构件；（d）热冲击测试温度曲线；（e）不同3D打印SiC样件1300℃~室温急冷急热循环后的宏观形貌 在碳化硅吸波器件应用方面：采用激光粉末床熔融结合碳热还原制备了一种新型的木材生物质废料衍生的多孔碳化硅纳米线/碳化硅复合材料吸波器（图8），用于结构-功能一体化电磁波吸收。建立了碳热还原温度对3D打印生物质碳材料反应生成多孔碳化硅的影响机制，阐明多孔碳化硅复合材料异质界面、孔结构与电磁波吸收之间的内在联系。最终得到的多孔碳化硅复合材料构件的最小反射损耗为-49.01 dB，有效吸收带宽为5.1 GHz，在空气中的热失重率仅为0.6%，在恶劣环境下具有广泛的应用前景。【Virtual Phys. Prototy. 17 (2022) 718-733】 图8 激光粉末床熔融制造的多孔碳化硅复合材料吸波器：（a）吸波机理和（b）吸波效能；（c~e）生物质复杂构件坯体；（f）多孔碳化硅复合材料蜂窝结构吸波器 在碳化硅极小曲面点阵结构应用方面：通过激光粉末床熔融技术结合液相渗硅反应烧结工艺成形出碳化硅极小曲面点阵结构，对碳化硅点阵结构的制造、力学性能等进行了系统研究（图9）。该碳化硅点阵结构具有较高的制造精度和较低的收缩率(小于6%)，建立的有限元模拟模型可以准确地验证和预测碳化硅极小曲面点阵结构的力学和断裂行为(大多数偏差小于20%)。此外，采用理论模型与有限元模拟结合的方式阐明了体积分数对碳化硅极小曲面点阵结构压缩断裂带的影响机制，为优化碳化硅极小曲面点阵结构的设计和3D打印提供了重要理论指导。【Addit. Manuf. 56 (2022) 102910】 图9 激光粉末床熔融制造的碳化硅极小曲面点阵结构、力学性能实验分析及相关有限元模拟验证 在碳化硅模具应用方面：由于碳化硅具有高强度、高硬度、高导热等特性，是最佳的模具材料，但存在难加工等问题。为此，通过材料和工艺联合研究，充分利用碳化硅材料的优势，哈尔滨某光电科技有限公司用武汉华科三维生产的3D打印打印装备成形出满足玻璃镜片要求的碳化硅模具。 相关的论文、专著和发明专利和获奖情况如下： 1)…

铝合金的蠕变变形对于长寿命部件至关重要，尤其是在与导热和导电性能相关的应用中。随着铝合金3D打印应用的增加，了解这种工艺如何影响蠕变行为非常重要，特别是在200–450°C温度范围内。当前一些研究过的3D打印铝合金的抗蠕变性并不乐观，例如3D打印的Al-Mg-Zr在400°C峰值时效处理或260°C蠕变过程中的，蠕变阈值应力降低了65%；同样，3D打印的Al-Mg-Si在225℃施加100–130MPa的压缩载荷，样品只保持了65小时。3D打印铝合金的蠕变主要归因于两个问题：合金中存在的细化晶粒可能导致晶界滑动，以及缺乏抗粗化强化相。 近日，来自橡树岭橡树岭国家实验室的研究团队提出了一种新的基于Al-Ce-Ni得共晶体系。在铸造文献中，基于该体系的三元共晶合金具有高体积分数（>20%）的亚微米Al11Ce3和Al3Ni析出物，这些析出物在高达400°C的温度下具有抗粗化能力，有助于在时效至400°C后保持铸态硬度。由于这种三元共晶系统显示出在高温应用方面的前景，因此它被选择用于增材制造研究，如Jackson-Hunt模型所述，通过高凝固速度的微观结构细化可以增强共晶合金的强度。 已经开发出多种适用于增材制造工艺的铝合金 由于3D打印的Al-Ce-Ni-Mn合金不可热处理，也就是说，预计不会发生沉淀硬化，强度只会随着暴露在高温下的颗粒粗化而减少。因此，抗粗化性能和经过精细的微观结构的结合对AM-Al-Ce-Ni-Mn合金的高温性能至关重要。 通过跨多个长度尺度的微观结构分析以及对环境和高温机械性能的评估，研究人员发现Al-Ce-Ni-Mn合金确实是一种有前途的耐高温应用轻质铝合金，可在250-400°C温度范围内应用。与传统铸造高温合金相比，抗蠕变性在300-400°C时特别出色，考虑到10-100μm的小晶粒尺寸，这是一个意想不到的结果。考虑到现有的3D打印铝合金普遍存在的低蠕变性能，本文的结果颇出人意料，从而为未来抗蠕变3D打印铝合金的设计提供了几个重要的考虑因素。 铝合金3D打印应用 通过对微观结构和力学行为的广泛表征，得出以下结论： 1.合金在应力消除后微观结构很复杂，含有高体积分数（~35%）的球化亚微米金属间相。通过原子探针断层扫描，发现了至少四种不同的金属间化合物相，观察到的相的组成与热力学计算一致。铝晶粒大部分呈柱状并与构建方向对齐，晶粒宽约10微米，长约100微米。 2.在450°C下进行2小时的去应力退火会产生抗粗化的微观结构，因为在350°C下无载荷退火下，初始平均析出物半径118±29nm保持不变长达200小时。在400°C等温时效200小时后，平均析出物半径增加17%。在蠕变载荷条件下，抗粗化能力略有下降，在350°C下测试312小时后，析出物半径增加了37%，在400°C下测试747小时后，析出物半径增加了82%。 不同测试环境下铝合金的性能 不同测试环境下铝合金的性能 3.室温屈服强度为258±4Mpa，与在考虑晶界、固溶体和Orowan强化时所计算的结果接近，并预计载荷传递会带来额外的贡献。在室温下获得了可观的10±1%的拉伸延展性。400°C时的屈服强度为70±1MPa，比该温度下的Al-10Si-0.3Mg高约60MPa。消除应力后，在300和350°C等温时效200小时后，显微硬度保持在~110HV不变。在400°C时效200小时后，显微硬度略有下降11%。 4.3D打印的Al-Ce-Ni-Mn合金在300-400℃的抗蠕变性优于铸造高温铝合金如Al-12.5Ce、Al-6.4Cu-0.19Mn-0.13Zr和Al-0.10Sc-0.12Er。源自高体积分数的抗粗化亚微米析出物，这些析出物是扩散控制位错爬升的有效屏障，同时还提供负载转移。这些微观结构特征为未来抗蠕变3D打印铝合金的设计指明了方向。在T≤350°C的应力水平下没有观察到扩散蠕变，这表明晶界处的析出物是扩散流动的有效屏障。 除了Al-Ce共晶体系，也包括基于Al-Ni、Al-Fe和Al-Cu共晶体系。这些体系不仅具有固有的抗热裂性，3D打印加工相关的快速凝固还可以细化这些合金中的共晶结构，从而产生与Al-Si-Mg相当的室温机械性能。除了可打印性之外，新型共晶合金还有另一个优势。与Al-Si-Mg合金不同，几种合金中的强化相抗高温粗化，表明它们将具有优异的高温机械性能。由于共晶合金不含昂贵元素，例如Sc，它们是一种成本较低的替代Al-Sc基高温合金的材料。 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;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.新突破：国内研发出超600MPa超高强3D打印铝合金 3.西南交大实现铝合金3D打印多缺陷主导裂纹扩展行为的成像表征 4.美奥本大学与EOS深入研究3D打印铝合金部件的结构完整性

近日，3D打印技术参考注意到，EOS已与美国能源部 (DOE) 签署了一项合作研究与开发协议，将在橡树岭国家实验室（ORNL）开展一项关于金属3D打印质量控制的合作研究项目。需要指出的是，EOS与ORNL均开发有基于粉末床增材制造逐层异常检测的工具。 EOS模块化的监测产品包括四个不同的监控模块：System and Laser、PowderBed、MeltPool 和 Exposure OT（光学断层扫描）。除了监控一般系统状态的多个传感器外，OT技术使用sCMOS工业相机监控整个制造环境，并以高分辨率测量熔化过程的热量排放，始终控制材料的扫描过程和熔化特性，确保最佳的铺送粉和成型质量。同时，可配置软件将记录每层打印质量的详细信息。光学层析成像可以再现监控过程，并提供整个制造过程的质量分析方法，从而能够逐层和逐个地对金属增材制造过程进行更全面的质量控制。以前在下游进行的质量控制过程的很大一部分（无损检测）现在可以在制造过程中进行，从而显著降低与质量保证相关的成本。这同时能够满足批量生产中客户的要求。 ORNL则开发了一款基于神经网络的程序，它可以对从设计、材料、打印到测试的整个过程的每个步骤收集和分析数据，实时评估零件质量。开发了一款基于神经网络的程序，它可以对从设计、材料选择、打印到测试的整个过程的每个步骤收集和分析数据，实时评估零件质量。ORNL的深度学习算法基于神经网络动态识别，在台式计算机上，结果反馈的速度足够快，可以实时分析所有已探查机器类型的现场数据。在每个成像系统的原始分辨率下，可以按像素提供异常分类，定位精度往前迈进了一大步。在2020年，该算法已成功在九种不同粉末床3D打印机上进行了演示，这些机器涵盖了三种不同的技术。此外，探索的成像系统包括可见光、中红外和近红外相机，有效分辨率范围为20μm至290μm。重要的是，所开发的深度学习算法允许在不同的粉末床机器之间无缝传输学习的知识，从而减少了与每个单独机器相关的数据收集和手动数据标记负担。 研究人员使用基于神经网络的程序监视和分析3D打印的组件 此外，研究人员发现新型的深度学习算法在异常类别的鉴别方面相比以前的算法实现了更低的误报率，七个类别中的四个类别的误报率下降了25%以上。此外，逐层分类的时间减少了12倍，而改进的定位能力和融合后图像的加入可以识别更多类型的缺陷。 作为协议的一部分，ORNL研究人员将使用EOS M290及EOSTATE MeltPool 监控软件进行操作和数据收集。 金属3D打印过程需要监测哪些数据 目前，过程监控技术主要针对粉末床激光和电子束熔融技术，其影响3D打印质量的参数达50多个，每个参数都会影响最终零件的质量。总体可分为三类： （1）设备状态和环境状态的监测 对于以激光为热源的3D打印技术来说，首先要监测的设备状态参数是激光功率、设备温度，更复杂的监控涉及到监控束斑的位置和聚焦，当偏差超过极限时系统将关闭。另外，激光3D打印设备都采用惰性气体保护来确保金属熔化时不发生氧化，因此也会对打印环境中氧含量进行在线监测。 电子束打印机需要监测的参数有真空度、电子枪的电压、束流、设备温度等。 （2）粉床铺粉的一致性监测 其原理是采用CCD摄像机，拍摄每一层铺粉后的粉床照片，通过对比标准的照片数据，检测粉床的平整度、有无凸起的高点、有无夹杂物等，如果发现问题可以通过一些技术措施纠正修补。 不同铺粉状态下的信号反馈 （3）工艺过程监控 工艺过程的的监测是最为复杂的。主要有熔池温度的监测、熔池形状参数的监测、扫描轨迹以及粉床温度的检测等。同时，工艺监控模块还需要测量熔化过程的热量排放，始终控制材料的扫描过程和熔化特性，识别出每种可能的缺陷类型，包括孔洞、孔隙、固体夹杂物或不完全熔合等。电子束选区熔化对粉床温度的监测尤为重要，这种工艺要对每一层粉末进行预热，预热的温度是决定成败的关键因素。 3D systems DMP Inspection自动执行数据分析 金属3D打印过程需要监测哪些信号 在SLM金属3D打印过程中，激光与材料作用会产生声、光、热及振动信号，这些信号中包含着丰富的信息，能够反映加工状态和构件内部缺陷，缺陷监测对识别失败构件、预测构件性能及反馈控制尤为重要，获得准确的监测数据是实现质量控制的前提。此前，华中科技大学联合上海交大、清华和南科大共同发表研究成果，曹龙超博士详述了当前SLM监测中用到的信号类型、监测技术和监测手段。 （1）声信号 SLM制造过程中，由于类型、尺寸、形态、位置等因素的差异，每一种缺陷都能够产生具有独特特征的声信号，采用合适的传感器采集并识别不同信号对应的缺陷类型是SLM过程监测的关键难题，也是质量控制的重要前提。声信号可以对SLM过程状态和缺陷进行监测，同时，提取声信号特征，可以建立信号特征和缺陷的对应关系。声信号传感器的相对位置、角度等对采集到的信号有较大的影响，在布置时需要重点考虑。目前，声信号的监测主要针对SLM单轨道扫描，需要进一步开发适用于多轨道多层甚至零件加工全过程的声信号监测方案。 （2）光信号 粉层、金属蒸汽、飞溅、熔池、小孔、凝固层等产生的光信号可以通过相应的光学传感器进行监测。目前，基于光信号对SLM过程进行监测是最常用的手段。研究者采用数码相机、高速摄像机、光谱仪/光电二极管和X射线等设备采集SLM过程中的光信号，进一步提取特征，对SLM构件的质量和缺陷进行监测。 基于光信号的SLM过程监测能够直观地反映粉层、熔池、飞溅和气孔等信息，是目前应用最多的SLM过程监测手段之一。近年来，光谱仪、激光超声等手段也逐渐应用于SLM过程光信号的监测。 （3）热信号 热传递是实现SLM过程的驱动力，熔池的形成与动态行为、液态金属的冷却与凝固、凝固层的热循环等都与热传递有关。SLM过程中复杂的温度历程对构件的微观组织、残余应力、变形等有直接影响，均匀的温度分布会形成质量良好的构件，不合理的温度分布会影响构件结构的完整性和质量。因此，研究热行为对保证SLM构件质量具有重要意义。 温度监测的难点在于材料的辐射率不易获得，辐射率与材料的形态、温度分布等关系密切，即便已知材料在常温下的辐射率，但在SLM过程中，材料的形态有粉末态、液态、固态及气态，而且不同位置的温度有差异。因此，粉层表面辐射率并不是常数，而是随材料状态、空间及温度变化，获取SLM过程中的辐射率是非常困难的。一个有效的解决办法是采用双色高温计和红外热成像仪相结合，因为双色高温计对辐射率的变化不敏感，可以用来校核红外热成像仪，这方面的有待进一步研究。 （4）振动信号 SLM过程中的振动信号也能很好地反映加工状态和构件质量。通过振动信号可以判断SLM过程中熔透深度、裂纹、铺粉质量等。SLM过程中铺粉辊的运动、小孔的形成、熔池的波动等均会产生振动信号，采用加速度传感器监测振动信号，也能为SLM过程监测提供一种有效手段。目前，基于振动信号对SLM过程进行监测的研究比较少，尚需在传感器的选择、布置、信号收集与处理方面进行深入研究。 （5）多信号融合 采用单一的传感信号仅能反映加工过程中的某一方面信息，不能全面地反映加工状态和缺陷信息，导致监测的信息不全，且监测的准确性不足，而采用多种传感器采集多方面信号能够比较全面的反映加工状态，使监测准确性大大提高。 END 为了提高金属粉末床增材制造技术的工业可接受度，很多厂家目前均推出了在线监测模块来检查制造过程中的异常情况，如刮刀碰撞、粉末铺设不均、飞溅以及孔隙等等。然而，这些实时监控手段能否具有足够的自动化水平，在分析生产过程中收集的数据方面，能否智能分析、判断并做出相应指令，还有待观察。 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;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.金属3D打印过程监控技术的监测数据和措施有哪些 3.西空智造推出国产金属3D打印在线监控系统 4.基于AI的粉末床增材制造逐层异常检测和分类

近日，3D打印技术参考注意到仿生制造的最新成果，意大利理工学院的研究人员开发了一种机械手，使用SLA 3D打印的仿生肌肉来模仿人类抓取物体，仅重8克的微型执行器举起了8kg的物体，这是其自身重量的1000倍。 在我国，华中科技大学史玉升教授团队近年来在Materials Today, Bioactive Materials、Acta Materialia、Engineering、Applied Materials Today等期刊上发表系列文章，发展了多场耦合的超材料结构设计方法，建立了仿生设计、有限元仿真、结构计算、实验验证与性能预测等模型，突破了多性能耦合设计约束限制，拓展了多性能设计与调控空间，为超材料设计与增材制造技术在航空航天、生物医疗等领域的应用奠定了理论基础。 超材料分类及典型应用 传统结构设计大多面向力学性能优化，在保证力学性能的同时实现轻量化。随着高端制造业的发展，构件面临极端服役环境，具有复杂化、整体化和多功能属性。多物理场耦合的多功能超材料设计逐渐发展起来。超材料结构往往极端复杂，具有宏微观跨尺度特点，传统制造技术难以实现，增材制造技术在制造这类复杂结构方面具有显著优势。团队在材料类期刊Materials Today上系统阐述了力学、声学等各类超材料基本原理和典型应用，介绍了典型超材料设计方法与增材制造工艺的研究进展，讨论了增材制造多场耦合超材料性能、超材料在设计方法方面的局限性、增材制造技术缺点以及超材料的发展趋势（Mater. Today, 2021, 50, 303-328）。 力学超材料 以功能为导向的结构设计，具有成本效益高、省时等优点，拥有较大的发展潜力。通过为给定单元和给定区域构造边界条件与优化目标，可拓扑设计出新型功能结构。团队提出了通过均匀化应变拓扑设计最大体模量力学微结构方法，并利用激光选区熔化（SLM）成功制备。通过准静态压缩试验，研究了拓扑优化超材料的力学性能和能量吸收能力。结果表明，随着晶格微结构单元数的增加，结构破坏机制从逐层断裂转变为45°倾斜断裂。拓扑优化的晶格结构的相对弹性模量为0.037，优于大多数已报道的晶格结构，设计的晶格结构在0.15应变下能量吸收效率达67.9%（J. Manuf. Process., 2020, 56: 1166–1177）。 基于晶格的力学超材料灵感来自原子的堆积和竹子的中空特征。（A） 晶格原子的微观形态；（B-C）竹子的宏观和微观形态特征；（D）仿生八重桁架力学超材料即便拥有先进的拓扑优化设计技术，当前的力学超材料性能仍远远落后于许多生物结构。受中空结构的强韧性竹子启发，通过SLM成形基于八重桁架力学超材料。在数值模拟的指导下，通过内外直径来实现仿生力学超材料轻量化，在低密度（1.25 g/cm3）下获得高压缩比强度（87.19 kN•m/kg），且不会在八重桁架结构配置中失去各向同性（di =0.59 mm，do=1.10 mm）。研究成果提供了一种仿生设计策略，实现具有各向同性及轻质高强力学的超材料设计与制备（Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101268）。 声学超材料 吸声超材料在低频噪声吸收领域有着重要意义，传统吸声材料被制备后，其结构也随之固定，无法根据外界噪声频率变化做出相应吸收能力的调整。团队基于声音频率共振消声原理，通过设计迷宫式结构，采用FDM成形了吸声性能可调的低频吸声超材料，根据外接声波频率变化而动态调整结构，实现不同频率噪声的吸收，吸声频率在298-379 Hz宽频范围内可调（Chin. J. Mech. Eng.: Addit. Manuf. Front., 2022, 100036）。 五模超材料类流体声学性能结果。（A）块体钛合金声场云图；（B）五模超材料声场云图；（C）实验装置示意图；（D）总散射界面，定义为各方向散射功率与平面波入射功率的比值 材料是由周期性单胞组成的复杂结构，具有水或流体等有效物理性质，可有效调控水下声波的传输路径。团队研究了模拟流体的结构设计、五模超材料的形态特征、有限元法预测的应力分布、力学性能和变形机理；提出了一种两步优化策略设计五模超材料，建立了水下声波频散设计方法，研究成果在中船重工实现了原理验证（Engineering, 2020, 6, 56-67; Compos. Struct., 2019, 226, 111199）。热学超材料轻质高强兼具散热吸能超材料在航空航天和汽车应用中具有重要意义。团队受柚皮对果肉屏蔽保护的启发，提出了柚皮微结构仿生多面体超材料设计方法，实现了优异的散热和吸能效果。 图4受柚皮图形启发的多面体晶格结构的形态演变：（A）自然界中的柚子；（B）柚皮的形态；（C）受柚皮图形启发的多面体单元；（D）具有各种横截面形状的设计支柱 在实验和数值模拟的指导下，具有圆形支柱的超材料在Re=7000–30000时具有最高的努塞尔数、最低的压降和摩擦系数，表现出更高的散热指数；在0.92孔隙率下，热效率系数超过1，表现出较强的隔热能力。此外，具有圆形支柱的仿生多面体结构的比能量吸收超越传统点阵结构，在燃气轮机和冷却结构上有着重要应用前景（Adv. Mater. Technol. 2022, 2200076）。 生物超材料 孔隙率、模量、骨组织再生、应力屏蔽是骨支架设计中重点考虑的约束条件，团队提出了一种双锥支柱设计策略，减少类金刚石多孔金属生物材料的应力屏蔽，同时保持不变的孔隙率。设计的生物超材料骨支架的弹性模量和屈服强度，与传统金刚石晶格相比分别低41.46%和46.42%，有利于骨支架力学性能与宿主骨匹配，避免了应力屏蔽（Int. J. Mech. Sci., 2021, 197, 106331）。海胆棘及其仿生生物超材料支架的拓扑形态：海胆棘的针状外观和梯度孔隙的内部结构。 （A）光学图像显示了海胆脊椎的自然特征； （B）微观计算机断层扫描（CT）图像在水平视图和纵向视图中显示内部分级孔隙度； （C）SEM图像在（c1-c2）剖面图中显示了精细的内部形态； （D）植入物内多孔支架位置示意图； （E）仿生梯度生物五模超材料支架； （F）…

8月3日，美国麻省大学陈文教授与佐治亚理工学院朱廷教授团队合作在Nature发表了一篇题为“Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing”的研究成果。L-PBF/SLM技术具有极高的温度梯度和超快的冷却速率，可以有效地细化晶粒从而实现材料的高强度。然而，通过该技术制造的高强度纳米结构合金通常延展性有限，研究人员使用L-PBF打印了AICoCrFeNi2.1的双相纳米层状高熵合金(HEAs)，其表现出约1.3GPa的高屈服强度和约14%的大均匀伸长率，这超过了其他先进的金属3D打印材料。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04914-8（已上传QQ群）目前L-PBF技术制备的纳米合金具有高强度但塑性低。材料强度和塑性的相互制衡是材料科学中的普遍难题。共晶合金代表了一类很有前途的多主元素合金，这可以形成双相层状分层微观结构，从而为实现优异的机械性能提供了巨大潜力。然而，通过传统的凝固路线，层片的厚度通常在微米或亚微米的范围内，这限制了这些 材料可达到的强度。相比之下，纳米层和纳米层状金属表现出高强度，但延展性太低。这些材料通过薄膜沉积或严重的塑性变形制造，通常会导致具有强塑性各向异性的高度纹理化的纳米结构，限制了它们的实际应用。研究人员利用激光粉末床熔融 (L-PBF) 的极端印刷条件和共晶合金的有利成分效应来产生一种独特类型的远非平衡微观结构，其形式为嵌入共晶中的双相纳米薄片。这种3D打印的共晶高熵合金展示了强度和延展性以及几乎各向同性机械性能的完美结合。实现对3D打印材料中凝固组织和缺陷的合理控制具有挑战性，因为激光加工的参数空间本来就很大。使用归一化等效能量密度方法，研究人员确定了一个有效的 L-PBF处理窗口来打印完全致密的AlCoCrFeNi样品。通过调整激光功率和扫描速度，能够将层状厚度减少到几十纳米，尽管它们的微观结构相似，但专注于用更精细的纳米层表征结构和相关特性的可调性。此外，还打印了各种具有代表性的工程组件，包括散热器风扇、八角桁架微晶格和齿轮，证明了该共晶高熵合金对各种复杂几何形状的出色可打印性。 图1：AM AlCoCrFeNi2.1的多尺度非平衡态组织表征 研究人员3D打印的共晶高熵合金的高屈服强度(约1.3 GPa)主要源于双相纳米层状结构的强强化效应。平均厚度分别为64nm和151nm的交变bcc和fcc纳米层及其半相干界面对位错滑移作用有很强的相互约束作用。根据Hall-Petch关系估计，这种纳米层合强化对屈服强度的贡献约为1GPa。此外，L-PBF的快速凝固会在样品中产生高密度的预先存在的位错，从而产生额外的强化效果。使用中子衍射测量来确定样品中预先存在的位错密度，在bcc (Pbcc)和fcc (Pfcc)纳米层中的平均位错密度分别高达(7.4 +1.1)x 10^14 m^-2和(5.4 + 0.3)x 10^14 m^-2，导致屈服强度估计增加约280MPa。因此，材料的高屈服强度是通过L-PBF的双相纳米层结构实现的，并通过高密度的打印诱导位错进一步增强。 图2：AM AlCoCrFeNi2.1的拉伸力学性能。（b）图中红色五角星代表本研究的结果，实心标志代表材料打印态性能，空心标志代表材料热处理态性能 图3：通过原位中子衍射研究AM AlCoCrFeNi2.1的变形机理。（a）拉伸方向FCC和BCC特征晶面的晶格应变（lattice strain）随真应力的演变，图中标志和实线分别代表中子衍射实验和晶体塑性有限元模拟结果。（b）拉伸过程中应力在FCC和BCC相中的实时分布。（c）不同应变下合金的中子衍射图谱。（d）通过改进Williamson-Hall方法计算得到的FCC和BCC相位错密度随应变的变化。 L-PBF的异质纳米层结构的一个重要好处是产生大的局部塑性应变梯度，导致强烈的背应力硬化。如原位晶格应变测量所示，塑性屈服始于fcc相，而bcc相保持弹性。来自弹性体心立方相的几何约束可能会导致层状界面附近出现强烈的局部塑性应变梯度，这将通过几何必要位错 (GND) 来适应. 此外，在 cc相塑性屈服后，两个共变形相之间的额外变形不相容性源于它们的塑性各向异性（即fcc和bcc滑移系统的不同方向和电阻），并且也会被GND调节。因此，在fcc/bcc界面附近的 GND的持续积累，与HRTEM观察到的界面位错随负载增加一致，可能会产生强大的背应力46并因此提高材料的流动应力。扩展数据显示了典型的加载-卸载-再加载曲线，具有明显的滞后回线，表明存在显着的包辛格效应。因此，这种强烈的背应力硬化反映了来自L-PBF的异质纳米层结构的有益效果，这与来自传统热机械处理的通过微层合金中的纳米沉淀物的背应力硬化形成对比。 图4：AM AlCoCrFeNi2.1的变形微结构演变。（a-c）不同应变下合金的虚拟明场旋进电子衍射（precession electron diffraction）图，图中红色标志代表BCC纳米片层，绿色标志代表FCC纳米片层。（d-f）不同应变下合金的高倍明场TEM图，图中黄色箭头指明5%应变量下FCC纳米片层中的变形层错（deformation-induced stacking faults），黄色虚线指明FCC-BCC相界面。（g-i）高分辨TEM图显示原子尺度FCC-BCC相界面特征。（j-l）不同应变量下对应的反快速傅里叶变换（IFFT）图，图中黄色圆圈指明刃型位错（edge dislocations）。 总之，研究人员利用L-PBF技术和共晶高熵合金的有利成分效应开发了一类双相纳米片状合金，该合金表现出高屈服强度和高拉伸延展性的卓越组合，超过了其他国家-最先进的3D打印合金。分层的双相纳米结构基序通常可应用于其他共晶高熵合金以改善其机械性能。对3D打印的该合金的强化和硬化行为所获得的机理见解可应用于高性能金属合金的设计，这些合金可开发出丰富多样的复杂多相层状结构，例如铝合金和钛合金。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.一种无X/Y轴振镜的新光学扫描系统，极大提高3D打印效率 3.突破：NASA开发出一种新型超高性能3D打印合金，耐温1093℃ 4.Science重磅：一种非常规的3D打印策略，创建超级钛合金结构

导读：近日，3D打印技术参考获得一条读者的信息，一家名为Tecnica的公司提出了一种新的无透镜光学扫描系统，消除了X和Y轴振镜，同时增加了固定反射镜以及旋转反射镜，从而将SLS和SLM的扫描打印速度提升了近三倍。与此同时，Tecnica指出，这种新的光学系统消除了传统光学振镜系统的很多固有不足。 3D打印技术参考查询了光学集团和服务公司F-THETA对传统光学扫描系统的介绍。在典型的二维扫描系统中，激光被准直以后经过X和Y轴的反射后进入聚焦透镜，光束将被聚焦镜头聚焦在工作平面上。X和Y轴的旋转，使得激光在聚焦平面内移动。激光聚焦光斑的大小有聚焦透镜决定，这个透镜也就是我们通常称之为场镜的F-THETA透镜。构件尺寸较小的金属3D打印机所采用的就是这种光学设计。 随着扫描范围的增加，激光扫描振镜的尺寸要求也相应增大，光束的直径也增大，这样才能保证较大的NA，由此光束可以获得更小的衍射极限，从而获得小光斑聚焦。当然，由此产生的F-theta扫描场镜的制造成本也相应增加。 基于X和Y轴振镜的扫描系统 针对以上这种情况，可以考虑使用三维扫描系统的解决方案，这时，XY二维扫描振镜定位在聚焦镜后面，因为光束并不需要在镜头上移动，因此F-theta透镜不需要太大。当然这种情况无法获得平场效果。如果要获得平场，第三个方向Z轴就需要进行线性的移动。 典型的激光系统采用伽利略望远镜的形式来获得需要的光学系统NA。在入射镜片和聚焦物镜之间的距离决定了系统的焦距。通过改变入射镜片，就能够决定聚焦的位置，如下图所示。通过三维的调节，最终可以获得平场的效果，这便是如今大尺寸SLM技术所使用的动态聚焦系统。 动态聚焦系统当前主流的SLM技术均采用以上两种光学系统，但这套系统如今受到了来自Seurat的挑战，其独特的光学设计将200多万个激光点融合为一束激光，每个激光点的能量均可以通过切片图像的像素设计控制能量，一次可以实现2×2mm甚至15×15mm的区域曝光熔化，此举大大提高了成型效率。 Seurat区域金属3D打印过程 ‍ 根据Tecnica的相关资料，所有SLS/SLM 3D打印机制造商都使用相同的核心技术——检流计——来引导激光束到达打印表面。检流计具有固有缺陷，无法精确控制提供给打印表面每个点的能量。这使得表面温度难以控制，从而导致零件多孔且内部不均匀。尤其是需要非常精确地控制打印温度的高质量金属部件，目前的技术仍然存在困难。与此同时，当需要高分辨率、高质量的打印时，定位和速度的不对称和非线性使得调制变得更具挑战性：光束入射因体素位置而异，光束垂直与偏转于表面，会导致熔池的差异。 3D打印技术参考认为，Tecnica所指出的这些科学问题，在工程使用过程中也获得了高质量部件。但对于一些缺陷的形成，Tecnica所提出的问题也值得参考。 Tecnica推出的Øgon光学系统 Tecnica推出了名为Øgon的架构，这时一种无透镜光学扫描系统，消除了X和Y轴振镜，同时增加了固定反射镜以及旋转反射镜，由于其独特特性，确保了一致的能量传输和激光束在表面上精确定位：激光束总是以相同的距离到达打印表面上的每个点，因此能够在每个点均能准确聚焦，精确加热表面上所需的点，而不会加热到周围的区域。激光束始终垂直于表面，因此表面上的光束形状不会失真。 Tecnica Øgon光学系统 Tecnica Øgon光学反射镜 Tecnica认为凭借Øgon的精确度以及精确的能量和温度调节，可以实现最终零件生产中所需的可重复的高质量、同质性和强度，尤其是在金属3D打印方面。 Tecnica的Øgon打印头设计简单，无需使用基于检流计的复杂解决方案，因此提供了更强大且更具成本效益的解决方案。 使用Øgon光学系统，Tecnica设计和制造了SLS/SLM 3D打印机，该公司认为新打印机能够以制造最终用途零件所需的速度和成本效率生产出一致、高强度的零件，而不仅仅是原型制作。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.面区域金属3D打印的真实过程，及200万个激光点是如何实现的 3.工艺综述：金属增材制造技术的重要创新发展及代表性企业 4.2022最新金属与非金属增材制造技术全景图（中文版）