关键技术问题与潜在应用：激光粉末床熔融多材料增材制造(2)
激光粉末床熔融（LPBF）增材制造-3D打印技术在制造具有复杂结构和精细材料布局的金属多材料结构方面取得了进展。华南理工大学等科研机构的研究人员对激光粉末床熔融多材料结构增材制造的最新发展进展进行了全面回顾，包括：界面特性和强化方法，关键技术问题和潜在应用等，并对该领域未来研究方向进行了展望。
相关论文以“Recent progress on additive manufacturing of multi-material structures with laser powder bed fusion”为题，发表在Virtual and Physical Prototyping 期刊。本期谷.专栏将分享该论文对于LPBF 多材料增材制造关键技术问题和潜在应用的解读。
原文链接：https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2028343
多材料结构LPBF 增材制造中的关键技术问题
l 设备开发
在多材料LPBF工艺中，将不同粉末输送到预定位置至关重要。由于粉末输送系统的限制，现有的LPBF设备几乎设计用于单一材料的打印。已尝试通过手动更换粉末，沿构建方向打印材料变化的多材料结构。对原LPBF设备的粉末输送系统进行改造最有效地实现了异种粉末物理位置的定制变化。
图15 通过LPBF打印多种材料结构的不同改性粉末输送系统:(a)刮刀式，(b)超声波式，(c)‘叶片+超声波’混合，以及(d)电子摄影式。
Wei和Li(2021)将改良的粉末输送系统分为基于刮刀的、基于超声的、“刮刀+超声”混合和基于电摄影的粉末撒粉方法。基于刮刀的系统可以在构建方向(Z)交付不同的材料，但沿着水平(X/Y)方向将它们沉积在打印层中具有挑战性 (图15(a))。基于超声的系统可以利用超声波振动将不同几何形状的多物料干粉颗粒撒向粉床，但物料分配效率较低(图15(b))。“刮刀+超声”混合撒粉系统利用粉末刮刀来提高超声辅助LPBF的粉末沉积效率 (图15(c))。基于电子摄影的系统可以利用逐点控制的微气流将粉末颗粒吸引到圆柱形网格上，然后将粉末颗粒吹离网格，沉积在粉末床上，形成一个设计图案 (图15(d))。
图16 基于刮刀法的多材料LPBF设备示意图：（a–c）只能实现层间多材料打印的四料斗送粉系统，（d）采用层内打印法的柔性送粉系统，以及（e）除粉机构。
Demir和Previti（2017）使用基于刮刀的方法设计了一个双送粉系统，以修改其现有的LPBF设备，从而能够直接制造沿Z轴（层间分布）材料变化的多材料结构。图16（a–c）显示了多材料LPBF设备中四料斗送粉系统的模型和示意图。四个粉末料斗安装在铺设车上，每个料斗都有一个开关，用于控制四种粉末的层间分布。该系统能够为零件的每个打印层可行地定义特定的工艺参数，这有助于精确优化能量密度和抑制界面处的缺陷。
图17 基于超声波方法的多材料LPBF设备示意图：（a）第一个具有超声波粉末沉积系统的原型多材料LPDF设备，（b）具有层内分布的Cu/H13多材料零件，（c）添加原位粉末混合系统，（d）现场粉末混合系统的设计，（e）打印梯度CuSn10/钠钙玻璃样品的表面，以及（f）打印双心形环原型。
超声振动已被证明可选择性沉积不同的粉末材料。图17（a）显示了带有超声波粉末沉积系统的多材料LPBF原型设备。制造了一个具有层内分布的Cu/H13多材料零件（图17（b）），该零件显示了通过LPBF进行层内打印的多材料结构的巨大潜力。
基于基于超声波的方法，Zhang等人（2020）添加了原位粉末混合系统，以开发新型多材料LPBF机，从而在X/Y/Z方向上精确改变混合粉末的不同比例（图17（c））。现场粉末混合系统中有三个子振动进料系统，两个上部振动进料装置可将两种不同类型的粉末以恒定的粉末流速分配到下部混合箱中（图17（d））。图17（e）显示了设备打印的CuSn10/钠钙玻璃梯度结构，其中包含从CuSn10到钠钙玻璃的成分变化，包括MMC、过渡相和CMC区域。图17（f）显示了打印CuSn10/钠钙玻璃多材料双心形环。然而，基于超声波方法的多材料LPBF设备的特点是效率低。
在“刮刀+ 超声混合法” 中，为了提高粉末沉积效率，集成了基于超声波的粉末沉积系统和粉末刮刀辅助系统，以输送不同的粉末。图18（a）和（b）显示了多材料LPBF设备，分别通过逐点微真空和逐点超声波粉末分布将传统粉末铺展系统与选择性材料去除系统集成在一起。在该设备中，构成部件主要部分的粉末材料通过传统的粉末铺展系统铺展，然后使用逐点微真空系统在预定义的局部区域去除未熔化的粉末。最后，通过超声波送粉喷嘴将其他粉末材料输送到空位区域。然而，超声波送粉喷嘴输送的粉末未压实，这导致这些区域的粉末压实密度低，从而在打印过程中形成裂纹和孔隙。在该系统中，包括一种由气缸驱动的附加板，用于压缩从超声波喷嘴分配的松散粉末，这可以显著增加零件的相对密度。
图18 基于“刮刀+超声波”混合方法的多材料LPBF示意图：（a）集成了基于超声波的粉末沉积系统和粉末刮刀辅助系统的设备，（b）基于超声波的粉体沉积系统细节，（c）添加了FFF系统，（d）加压系统，和（e）打印316L/PLA多材料微型房屋模型。
“刮刀+ 超声波混合方法”提供了将其他聚合物AM工艺（如电熔制丝，FFF）结合起来以获得金属/聚合物多材料零件中的机械联锁结构的可能性。图18（c）和（d）分别显示了改进设备和增压系统的示意图。在LPBF工艺中打印金属联锁结构（316L）后，通过真空吸盘去除金属联锁结构内残留的松散粉末，并在FFF工艺中用聚合物填充金属联锁结构。加压系统用于将熔融聚合物（PLA）压缩到金属互锁结构中，以在金属和聚合物之间形成机械互锁结构，如图18（e）所示。
比利时Aerosint公司基于电子摄影法，开发了一种LPBF 多材料3D打印机，可以以相对较高的效率打印聚合物、陶瓷和金属粉末（图19（a））。例如，可以基于粉末体素的选择性沉积来打印具有异种材料层内分布的316L SS/CuCrZr多材料零件（图19（b）和（c））。粉末分配器是该设备的关键部件，它使用两个鼓形粉末供给系统实现两种不同材料在任何区域的分配。鼓形送粉系统数量的增加使得能够打印更多的材料类型。此外，该系统的非接触粉末铺展可以在脆性材料上打印，而不会产生剪切和摩擦，从而防止打印零件的局部翘曲。
图19 基于Aerosint SA开发的基于电子摄影的方法的多材料LPBF设备示意图：（a）选择性粉末重涂示意图，（b）打印工艺，（c）打印316L SS/CuCrZr多材料零件。
尽管已经开发了各种多材料LPBF设备用于打印多功能和几何复杂零件，但效率低和粉末交叉污染仍是该设备面临的关键挑战。高效、高质量的粉末输送系统，用于灵活组合和精确分配不同材料，仍然是工业应用的先决条件。
l 数据准备
多材料结构LPBF处理的先决条件之一是创建其3D模型。目前，由于可用商业软件的限制，大多数主流三维模型仅表达零件的几何信息，而不表达零件的材料信息，这可能会阻碍多材料结构的打印。图20显示了多材料的数据准备方法，应通过模型分割、定义和组合进行处理，以获得具有复杂形状的多材料结构。然而，这种方法需要复杂的手动过程，不利于大规模生产和广泛的工业应用。因此，一种能够同时表达几何和材料信息并与制造过程连接的数据接口文件对于多材料结构的设计和制造的集成至关重要。
图20 多材料结构的LPBF打印的手动数据准备程序。
目前，增材制造中普遍接受的数据格式包括STL（标准细分语言）、OBJ（对象文件格式）、AMF（附加制造格式）和PLY（多边形文件格式）文件（Loh等人，2018）。STL文件是使用最广泛的数据格式，已成为商用增材制造设备的标准输入文件，但它无法表达材料信息。STL 2.0是为了表达零件中每个区域的材料信息而开发的。OBJ文件可以表达颜色信息，但仍然无法表达材质信息。AMF文件是美国材料与试验协会（ASTM）为标准化而提出的一种多材料AM数据格式，它可以表达几何和材料信息，但占用大量存储空间。AMF文件仍处于开放共享阶段，应用于多材料结构尚不成熟。PLY文件使用多边形网格来表达零件的表面信息，例如纹理和颜色。
图21（a）显示三维排列体素的概念图，以及（b）FAV格式可以保留内部结构、颜色和材料的信息。
一些潜在的文件格式可用于LPBF打印的多材料结构，其可携带关于材料梯度和微尺度物理特性的信息，超出固定的几何描述。FAV格式包括通过体素的物体外部和内部的数字信息，包括其颜色、材料和连接强度，如图21所示。
图22 （a）通过对每个像素的X和Y坐标求和生成颜色的简单梯度图案：C，（b）CPPN生成的图案。下式（b）显示了红色值的计算（Richards和Amos 2014）。
LPBF的多材料结构需要一种新的计算建模方法，该方法不仅可以包含几何信息，还可以指定和管理用于局部成分控制的材料信息。新的计算建模方法应该能够控制三维空间中材料的比例和方向性。Richards和Amos（2014）提出了一种使用CPPN（合成模式生成网络）编码的计算方法，以及一种使用NEAT（增强拓扑的神经进化）的可扩展算法，通过笛卡尔坐标的函数通过逐体素描述将多材料信息嵌入到多材料零件中（图22）。为了减少多材质结构体素模型从通用几何格式（即STL文件）转换的计算量，General（2018）提出了一种替代设计支持系统，用体积纹理图表示材质几何拓扑。它允许对体素模型进行修改，然后编译回纹理描述，以在不同的比例下进行更改。因此，函数表示是一种有效的方法，可以为描述具有复杂内部结构的多材料物理对象提供可行的方法。
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