激光粉末床熔接多材料結構增材制造的最新進展（3）

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：據(jù)悉，本文從界面特性和強化方法、關鍵技術問題和潛在應用等方面全面回顧了通過LPBF實現(xiàn)的多材料結構的最新成就。本文為第三部分。


3.2.數(shù)據(jù)準備
多材料結構LPBF處理的先決條件之一是創(chuàng)建其3D模型。目前，由于可用商業(yè)軟件的限制，大多數(shù)主流三維模型僅表達零件的幾何信息，而不表達零件的材料信息，這可能會阻礙多材料結構的打印。圖20顯示了多材料的數(shù)據(jù)準備方法，應通過模型分割、定義和組合進行處理，以獲得具有復雜形狀的多材料結構。然而，這種方法需要復雜的手動過程，不利于大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛的工業(yè)應用。因此，一種能夠同時表達幾何和材料信息并與制造過程連接的數(shù)據(jù)接口文件對于多材料結構的設計和制造的集成至關重要。

圖20 多材料結構的LPBF打印的手動數(shù)據(jù)準備程序。

目前，AM中普遍接受的數(shù)據(jù)格式包括STL（標準細分語言）、OBJ（對象文件格式）、AMF（附加制造格式）和PLY（多邊形文件格式）文件（Loh等人，2018）。STL文件是使用最廣泛的數(shù)據(jù)格式，已成為商用AM設備的標準輸入文件，但它無法表達材料信息。STL 2.0是為了表達零件中每個區(qū)域的材料信息而開發(fā)的。OBJ文件可以表達顏色信息，但仍然無法表達材質(zhì)信息。AMF文件是美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）為標準化而提出的一種多材料AM數(shù)據(jù)格式，它可以表達幾何和材料信息，但占用大量存儲空間。AMF文件仍處于開放共享階段，應用于多材料結構尚不成熟。PLY文件使用多邊形網(wǎng)格來表達零件的表面信息，例如紋理和顏色。

一些潛在的文件格式可用于LPBF打印的多材料結構，其可攜帶關于材料梯度和微尺度物理特性的信息，超出固定的幾何描述。FAV格式包括通過體素的物體外部和內(nèi)部的數(shù)字信息，包括其顏色、材料和連接強度，如圖21所示。

圖21（a）顯示三維排列體素的概念圖，以及（b）FAV格式可以保留內(nèi)部結構、顏色和材料的信息。

LPBF的多材料結構需要一種新的計算建模方法，該方法不僅可以包含幾何信息，還可以指定和管理用于局部成分控制的材料信息。新的計算建模方法應該能夠控制三維空間中材料的比例和方向性。Richards和Amos（2014）提出了一種使用CPPN（合成模式生成網(wǎng)絡）編碼的計算方法，以及一種使用NEAT（增強拓撲的神經(jīng)進化）的可擴展算法，通過笛卡爾坐標的函數(shù)通過逐體素描述將多材料信息嵌入到多材料零件中（圖22）。為了減少多材質(zhì)結構體素模型從通用幾何格式（即STL文件）轉(zhuǎn)換的計算量，General（2018）提出了一種替代設計支持系統(tǒng)，用體積紋理圖表示材質(zhì)幾何拓撲。它允許對體素模型進行修改，然后編譯回紋理描述，以在不同的比例下進行更改。因此，函數(shù)表示是一種有效的方法，可以為描述具有復雜內(nèi)部結構的多材料物理對象提供可行的方法。

圖22 （a）通過對每個像素的X和Y坐標求和生成顏色的簡單梯度圖案：C，（b）CPPN生成的圖案。下式（b）顯示了紅色值的計算（Richards和Amos 2014）。

3.3.熱力學計算和過程模擬

在多材料LPBF工藝中，了解材料性能的相容性并預測異種材料的行為（界面形態(tài)、熔池形狀、微觀結構演變等），然后快速篩選多材料結構的材料類型和工藝參數(shù)至關重要。然而，多材料LPBF中材料性能的相容性和潛在物理行為是與熔體池的熱力學和流體動力學、相變、材料熱力學等相關的復雜科學問題。此外，高度相容的材料可能具有類似的功能，導致多材料部件的單一功能，這可能無法適應可變的工作環(huán)境。目前，界面工藝參數(shù)的優(yōu)化仍然主要是通過大量的試錯實驗，這可能導致較長的交付周期和較高的成本。

數(shù)值模擬是了解多材料LPBF過程中潛在物理行為的有效方法（Yao等人，2021）。理解多材料LPBF中界面微觀結構的形成機制至關重要。然而，目前使用相場建模和元胞自動機方法進行的微觀結構模擬研究主要針對二元合金或三元合金。此外，缺乏混合材料的物理特性是在微觀尺度上獲得多材料LPBF精確模型的另一個障礙。因此，基于微觀方法進行的工作有限。

Gu等人（2020年）開發(fā)了一個綜合建模框架，以預測在介觀尺度上的多材料LPBF過程中多軌道、多層和多材料結構的熔池發(fā)展（圖23（a））。在這個框架中，可以在打印之前探索多種材料結構的粉末材料的各種組合，這為多種材料結構設計和優(yōu)化提供了有價值的見解。Sun、Chueh和Li（2020）開發(fā)了一個中尺度計算流體動力學模型，用于模擬單軌多材料LPBF熔池行為。由于不同材料的不同熱物理性質(zhì)（熔點、激光束吸收率、熱導率等），在熔融混合的IN718/CuSn10粉末時觀察到不均勻的溫度分布。隨著CuSn10含量的增加，熔池溫度降低。除金屬/金屬多材料結構外，Chen，Gu等人（2019）提出了一種多層有限元模型，以研究TiB2/Ti6Al4的熱行為 V多材料結構，隨后的實驗證明了模型的有效性（圖23（b））。

圖23 （a）多軌道、多層和多材料LPBF建模框架，以及（b）多材料結構LPBF物理模型示意圖。

然而，在這些模擬工作中，沒有研究不同材料之間界面的三維形態(tài)演變。最近，Yao等人（2021）開發(fā)了一個多物理模型，該模型將微米級流體動力學與納秒級熱擴散過程相結合，以檢查316L和IN718之間界面的三維形貌演變（圖24（a））。他們發(fā)現(xiàn)，當界面處熔體池的縱橫比高于0.25且低于0.55時，可以獲得“魚鱗”形態(tài)（圖24（b–f））。“魚鱗”形態(tài)有助于在界面處形成機械聯(lián)鎖結構和纏結的彎曲顆粒（圖24（f）和（g）），從而提高界面結合強度。

圖24 （a）單道激光掃描的代表性圖像，顯示了用于不同觀察方向的橫截面，（b–e）分別來自橫截面a-a、b-b、C-C和D-D的熔體池內(nèi)流動特性的模擬結果。（f）界面的“魚鱗”形態(tài)，以及（g）沿橫截面E-E的代表性元素分布圖和微觀結構。

3.4.粉末交叉污染和回收

LPBF設備的開發(fā)使得能夠根據(jù)需要打印具有空間分布的不同材料的多材料結構。然而，粉末交叉污染和打印后不同粉末的回收仍然是需要解決的關鍵問題。一方面，LPBF的固有特性（例如，基于粉末床）帶來了多材料結構打印過程中不可避免的粉末交叉污染問題。在打印一個粉末層之后，需要清除未熔化區(qū)域中的粉末；否則，不同粉末的混合物會導致粉末交叉污染。這種混合物可能會破壞精細材料布局并改變多材料結構的功能，這不利于對其性能的精確控制。因此，清潔系統(tǒng)對于多材料LPBF設備有效去除打印層內(nèi)未經(jīng)退火的粉末至關重要。此外，還需要設備的粉末預設能力來實現(xiàn)異種粉末的精確預設。

另一方面，對于多材料LPBF設備，應考慮不同粉末的回收、分離和再利用，以降低材料成本。如果混合粉末的粒度存在顯著差異，可通過篩分進行分離；如果混合粉末具有不同的磁性，可以通過磁吸附分離；如果混合粉末的密度不同，則可通過顆粒慣性進行分離。此外，多材料LPBF設備應避免在打印過程中混合原料粉末。

總之，多材料LPBF的關鍵技術問題集中在設備開發(fā)、數(shù)據(jù)準備、熱力學計算和過程模擬以及粉末交叉污染和回收。基于粉末供給系統(tǒng)的改進，開發(fā)了各種多材料LPBF設備，包括基于葉片、基于超聲波的葉片 + 超聲波“混合”和電子攝影技術。這些已開發(fā)的LPBF設備可以構建具有層間或?qū)觾?nèi)打印的多材料結構，但都顯示出低效率和粉末交叉污染。

4.潛在應用

LPBF打印多材料零件具有多種功能/性能，在航空航天、核能、海洋和海上的各種應用中，在高溫、高負荷和高腐蝕等惡劣環(huán)境中工作具有巨大潛力。此外，多材料AM甚至在四維（4D）打印領域顯示了其優(yōu)勢。例如，通過對不同材料（例如形狀記憶合金和非形狀記憶合金）的布局設計，可以在加熱后獲得具有特定形狀變化的新型智能材料，如圖25（a）所示。多材料結構也可應用于動力傳動系傳輸系統(tǒng)。圖25（b）顯示了高度為3的打印CuSn10/PA11多材料齒輪 這證明了多材料LPBF用于制造具有復雜結構的金屬/聚合物部件的能力。圖25（c）顯示了一個打印銅/聚合物渦輪葉片，其中只有葉片的中心由銅制成。銅/聚合物渦輪葉片可以潛在地應用于磁性驅(qū)動的動力系統(tǒng)。

圖25 LPBF打印的多材料零件，在4D打印、動力傳動系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)和通信設備中具有潛在應用：（a）Ni20Mn6/Ni36的智能多材料結構，（b）混合CuSn10/PA11齒輪，（c）CuSn10/PA11渦輪葉片，（d）CUSN110/PA11手機后殼，以及（e）316L SS/CuSn10/PA11聯(lián)鎖環(huán)。

在通信設備領域，可以將揚聲器、控制模塊和輻射/電絕緣體等聚合物組件連接到金屬電子設備外殼上。圖25（d）顯示了LPBF打印的CuSn10/PA11多材料手機后殼，這可以簡化手機后殼的生產(chǎn)。圖25（e）顯示了316 SS/CuSn10/PA11多材料聯(lián)鎖環(huán)，由三種不同材料組成。在電子電路領域，直接制造復雜多材料結構的方法可以與其他AM工藝集成，以制造3D復雜電路，從而能夠直接打印整個電氣設備。此外多材料LPBF可允許在預定義位置使用所需材料構建復雜的3D金屬電路和陶瓷封裝形狀，以提高功能或性能。

圖26（a）顯示了LPBF打印的金屬/玻璃多材料裝飾結構，這表明了多材料LPBF在珠寶領域的創(chuàng)新可行性。它不僅可以省略后續(xù)鑲嵌工藝，還可以直接制造具有不同材料分布的復雜結構。圖26（b）顯示了由比利時Aerosint SA公司制造的具有復雜彎曲結構的CuCrZr/316L多材料管式熱交換器。在熱交換器中，銅管充當通道之一，并由316L通道包圍。與傳統(tǒng)焊接方法相比，多材料換熱器的LPBF工藝具有成本效益。

圖26 LPBF打印的多材料零件在珠寶和能源領域具有潛在應用：（a）CuSn10/玻璃吊墜，（b）CuCrZr/316L多材料熱交換器，和（c）IN718/SS316L多物質(zhì)熱交換器。

在生物醫(yī)學領域，多材料結構的LPBF處理允許打印植入物實現(xiàn)精細的多材料布局，以獲得人體骨骼所需的各種性能（如生物相容性、剛度、耐磨性、耐腐蝕性）。圖27（a）顯示了打印的NiTi/Ti6Al4 V多材料HIP植入物。這種多材料HIP植入物包括Ti6Al4 V內(nèi)部區(qū)域具有足夠的機械強度和剛度，NiTi外部區(qū)域具有受控的體積膨脹（形狀記憶激活），以促進合適的骨植入物接觸并誘導骨向內(nèi)生長。金屬/聚合物混合結構也可用于矯形應用。Chueh、Wei等人（2020年）開發(fā)了一種新型LPBF打印金屬/聚合物植入物，具有可控的藥物輸送特性。可以裝載抗生素的聚合物是可生物降解的，并嵌入金屬植入物中，如圖27（b）所示。

圖27 在生物醫(yī)學領域具有潛在應用的LPBF打印多材料零件：（a）用于LPBF的NiTi/Ti6Al4V多材料HIP植入物的設計概念，以及（b）具有可控藥物遞送輪廓的LPBF打印金屬/聚合物植入物。

在航空航天領域，LPBF工藝可用于制造在極端惡劣環(huán)境中工作的多材料零件，通過以經(jīng)濟高效的方式配置柔性材料布局，實現(xiàn)優(yōu)異的環(huán)境適應性。例如，美國國家航空航天局（NASA）開展了一個名為“快速分析和制造推進技術”的項目，該項目的關鍵目標之一是推進雙金屬和多金屬AM技術。在該項目中，LPBF已成熟地應用于燃燒室的制造，并與其他AM技術（例如，吹塑粉末定向能量沉積，BP-DED）相結合，以制造輕質(zhì)推力室組件（圖28）。這表明多材料LPBF技術可以在腔室和噴嘴之間產(chǎn)生連續(xù)的冷卻通道，并通過配置適當?shù)牟牧喜季謥頊p輕零件的重量。

圖28 （a）為BP-DED準備的LPBF打印GRCop腔室，（b）耦合制造演示器的BP-EDD工藝，以及（c）完整的耦合BP-DED/LPBF雙金屬演示器。

5.結論與展望

本文綜述了通過LPBF打印的多材料結構（特別是異種材料）的研究進展。綜述了LPBF打印多材料結構的界面特性和強化方法、多材料LPBF的關鍵技術問題和潛在應用。

LPBF可用的多材料結構的主要類型包括金屬/金屬、金屬/聚合物、金屬/玻璃和金屬/陶瓷。其中，對金屬/金屬體系的研究最為廣泛，包括316L/CuSn10、316L/IN718、Ti6Al4 V/IN718、CuSn10/18Ni300、AlSi10Mg/C18400等。不同材料類型的界面形成和鍵合機制不同。對于金屬/金屬結構，熔合區(qū)和獨特的微觀結構（如針狀凝固微觀結構、細化晶粒）有助于形成強大的界面結合；金屬/聚合物、金屬/玻璃和金屬/陶瓷結構通過機械互鎖結構結合。缺陷（如裂紋、氣孔、分層和未熔化的粉末顆粒）是LPBF打印多材料結構機械性能的關鍵挑戰(zhàn)。目前抑制界面缺陷和增強界面結合的有效方法包括優(yōu)化界面工藝參數(shù)、引入中間結合層和成分過渡區(qū)以及界面設計。

銅基板上熔融H13的SEM圖像。

多材料LPBF技術的關鍵技術問題包括送粉系統(tǒng)的開發(fā)、數(shù)據(jù)準備、熱力學計算和過程模擬以及粉末交叉污染和回收。基于粉末供給系統(tǒng)的改進（基于刀片、基于超聲波的刀片 + 已經(jīng)開發(fā)了各種多材料LPBF設備來構建具有層間或?qū)觾?nèi)打印的結構。然而，低效率和粉末交叉污染仍然是他們面臨的挑戰(zhàn)。缺乏同時表達多材料結構的幾何和材料信息的數(shù)據(jù)格式是多材料LPBF的另一個障礙，可以通過一些潛在的文件格式（如FAV、SVX和3MF）和新方法（如函數(shù)表示）來解決。LPBF打印的多材料零件在4D打印、電子、珠寶、能源、生物醫(yī)學、航空航天等領域具有巨大的應用潛力。將多材料LPBF與其他AM方法（如BP-DED）相結合的混合制造方法為高效生產(chǎn)和應用提供了一種有效的方法。

MS1-C300復合材料650℃熱處理60 min后的顯微組織:(a) EBSD晶界圖，(b)鐵素體相和(C)奧氏體相對應的IPF圖。(d)相圖(鐵素體:藍色，奧氏體:紅色)。

關于多材料LPBF的前景概述如下。

在多材料LPBF中，熱性能的失配和第二相（如脆性金屬間化合物和碳化物）的形成可能導致高殘余應力，并導致LPBF打印多材料結構中的分層和裂紋。然而，目前可用于相變預測的商業(yè)模擬軟件通常是為單材料打印設計的，因此預測多材料結構界面處的二次相和缺陷的形成具有挑戰(zhàn)性。因此，可以對多種材料進行熱力學計算和過程模擬，以了解多種材料界面的溫度梯度、熱應力分布和凝固行為，從而為提高界面結合強度和減少缺陷提供理論指導。

（A） BEI顯微照片和EPMA彩色顯微照片顯示了（B）Sn、（C）In和（D）Zn在冠內(nèi)界面周圍的元素分布。BEI＝背散射電子像；電子探針微分析。

LPBF可以開發(fā)各種多材料類型，以滿足工業(yè)應用對零件多功能性的日益增長的要求。可以引入機器學習來加速LPBF新的多材料類型的開發(fā)。由材料屬性（化學成分、熔點、激光吸收率、熱導率、比熱容等）、打印工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、層厚、圖案填充空間等）組成的綜合數(shù)據(jù)庫，可以建立打印多材料零件的性能（強度、延展性、疲勞壽命、耐磨性、耐腐蝕性等），用于訓練機器學習模型。然后，可以使用經(jīng)過訓練的模型預測新的多種材料類型的零件性能。此外，可以通過基于實時監(jiān)測技術（例如高速X射線成像）的高保真表征方法來監(jiān)測打印期間的中間時間級熱動力學和空間級結構演變。因此，可以理解多材料LPBF中不同材料之間的熱行為和結構形成。

多材料界面的設計可以有效地提高界面結合強度。可以在LPBF打印多材料結構的界面處創(chuàng)建連續(xù)梯度過渡區(qū)和機械聯(lián)鎖結構。需要探索過渡區(qū)特性（厚度、成分等）對界面結合強度的影響。機械聯(lián)鎖結構的設計特征，例如尺寸和形狀，可以確定異種材料之間界面粘結的力學。

BEI、SEI顯微照片和EPMA彩色顯微照片顯示了在兩次瓷熔金屬燒結循環(huán)后，陶瓷和金屬界面處Pd、Ag、In、Sn和Zn的元素分布。

可以探索LPBF工藝的改進，以打印高質(zhì)量的多材料結構。綠色和藍色激光的引入可用于有效打印具有高反射率的多種材料（銅、鋁）。在多材料打印過程中，可以使用額外的電場、超聲波和磁場來攪拌熔池，這可以細化微觀結構，減少缺陷，從而促進異種材料的冶金結合。

現(xiàn)場監(jiān)測可用于確保LPBF過程中的高質(zhì)量多材料零件。借助高速攝影技術和紅外成像相機，可以在打印過程中獲得熔池的溫度和大小、濺射的大小以及濺射距離和角度。此外，現(xiàn)場高速同步輻射X射線成像可用于研究界面動力學（熔體池幾何結構、內(nèi)部流動模式、孔隙形成/消除等）。最后，獲得的熔池、濺射和界面動力學信息可用于機器學習，以建立界面缺陷形成與多材料LPBF中采用的工藝參數(shù)之間的關系，從而通過優(yōu)化工藝參數(shù)確保零件質(zhì)量。

來源：Recent progress on additive manufacturing of multi-material structures with laser powder bed fusion, Virtual and Physical Prototyping, doi.org/10.1080/17452759.2022.2028343

參考文獻：Al-Jamal, O. M., S. Hinduja, and L. Li. 2008. “Characteristics of the Bond in Cu-H13 Tool Steel Parts Fabricated Using SLM.” CIRP Annals – Manufacturing Technology 57 (1): 239–242. doi:https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.03.010.