關鍵技術問題與潛在應用：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打印技術在制造具有復雜結構和精細材料布局的金屬多材料結構方面取得了進展。華南理工大學等科研機構的研究人員對激光粉末床熔融多材料結構增材制造的最新發展進展進行了全面回顧，包括：界面特性和強化方法，關鍵技術問題和潛在應用等，并對該領域未來研究方向進行了展望。
相關論文以“Recent progress on additive manufacturing of multi-material structures with laser powder bed fusion”為題，發表在Virtual and Physical Prototyping 期刊。本期谷.專欄將分享該論文對于LPBF 多材料增材制造關鍵技術問題和潛在應用的解讀。
原文鏈接：https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2028343
多材料結構LPBF 增材制造中的關鍵技術問題
l 設備開發
在多材料LPBF工藝中，將不同粉末輸送到預定位置至關重要。由于粉末輸送系統的限制，現有的LPBF設備幾乎設計用于單一材料的打印。已嘗試通過手動更換粉末，沿構建方向打印材料變化的多材料結構。對原LPBF設備的粉末輸送系統進行改造最有效地實現了異種粉末物理位置的定制變化。
圖15 通過LPBF打印多種材料結構的不同改性粉末輸送系統:(a)刮刀式，(b)超聲波式，(c)‘葉片+超聲波’混合，以及(d)電子攝影式。
Wei和Li(2021)將改良的粉末輸送系統分為基于刮刀的、基于超聲的、“刮刀+超聲”混合和基于電攝影的粉末撒粉方法。基于刮刀的系統可以在構建方向(Z)交付不同的材料，但沿著水平(X/Y)方向將它們沉積在打印層中具有挑戰性 (圖15(a))。基于超聲的系統可以利用超聲波振動將不同幾何形狀的多物料干粉顆粒撒向粉床，但物料分配效率較低(圖15(b))。“刮刀+超聲”混合撒粉系統利用粉末刮刀來提高超聲輔助LPBF的粉末沉積效率 (圖15(c))。基于電子攝影的系統可以利用逐點控制的微氣流將粉末顆粒吸引到圓柱形網格上，然后將粉末顆粒吹離網格，沉積在粉末床上，形成一個設計圖案 (圖15(d))。
圖16 基于刮刀法的多材料LPBF設備示意圖：（a–c）只能實現層間多材料打印的四料斗送粉系統，（d）采用層內打印法的柔性送粉系統，以及（e）除粉機構。
Demir和Previti（2017）使用基于刮刀的方法設計了一個雙送粉系統，以修改其現有的LPBF設備，從而能夠直接制造沿Z軸（層間分布）材料變化的多材料結構。圖16（a–c）顯示了多材料LPBF設備中四料斗送粉系統的模型和示意圖。四個粉末料斗安裝在鋪設車上，每個料斗都有一個開關，用于控制四種粉末的層間分布。該系統能夠為零件的每個打印層可行地定義特定的工藝參數，這有助于精確優化能量密度和抑制界面處的缺陷。
圖17 基于超聲波方法的多材料LPBF設備示意圖：（a）第一個具有超聲波粉末沉積系統的原型多材料LPDF設備，（b）具有層內分布的Cu/H13多材料零件，（c）添加原位粉末混合系統，（d）現場粉末混合系統的設計，（e）打印梯度CuSn10/鈉鈣玻璃樣品的表面，以及（f）打印雙心形環原型。
超聲振動已被證明可選擇性沉積不同的粉末材料。圖17（a）顯示了帶有超聲波粉末沉積系統的多材料LPBF原型設備。制造了一個具有層內分布的Cu/H13多材料零件（圖17（b）），該零件顯示了通過LPBF進行層內打印的多材料結構的巨大潛力。
基于基于超聲波的方法，Zhang等人（2020）添加了原位粉末混合系統，以開發新型多材料LPBF機，從而在X/Y/Z方向上精確改變混合粉末的不同比例（圖17（c））。現場粉末混合系統中有三個子振動進料系統，兩個上部振動進料裝置可將兩種不同類型的粉末以恒定的粉末流速分配到下部混合箱中（圖17（d））。圖17（e）顯示了設備打印的CuSn10/鈉鈣玻璃梯度結構，其中包含從CuSn10到鈉鈣玻璃的成分變化，包括MMC、過渡相和CMC區域。圖17（f）顯示了打印CuSn10/鈉鈣玻璃多材料雙心形環。然而，基于超聲波方法的多材料LPBF設備的特點是效率低。
在“刮刀+ 超聲混合法” 中，為了提高粉末沉積效率，集成了基于超聲波的粉末沉積系統和粉末刮刀輔助系統，以輸送不同的粉末。圖18（a）和（b）顯示了多材料LPBF設備，分別通過逐點微真空和逐點超聲波粉末分布將傳統粉末鋪展系統與選擇性材料去除系統集成在一起。在該設備中，構成部件主要部分的粉末材料通過傳統的粉末鋪展系統鋪展，然后使用逐點微真空系統在預定義的局部區域去除未熔化的粉末。最后，通過超聲波送粉噴嘴將其他粉末材料輸送到空位區域。然而，超聲波送粉噴嘴輸送的粉末未壓實，這導致這些區域的粉末壓實密度低，從而在打印過程中形成裂紋和孔隙。在該系統中，包括一種由氣缸驅動的附加板，用于壓縮從超聲波噴嘴分配的松散粉末，這可以顯著增加零件的相對密度。
圖18 基于“刮刀+超聲波”混合方法的多材料LPBF示意圖：（a）集成了基于超聲波的粉末沉積系統和粉末刮刀輔助系統的設備，（b）基于超聲波的粉體沉積系統細節，（c）添加了FFF系統，（d）加壓系統，和（e）打印316L/PLA多材料微型房屋模型。
“刮刀+ 超聲波混合方法”提供了將其他聚合物AM工藝（如電熔制絲，FFF）結合起來以獲得金屬/聚合物多材料零件中的機械聯鎖結構的可能性。圖18（c）和（d）分別顯示了改進設備和增壓系統的示意圖。在LPBF工藝中打印金屬聯鎖結構（316L）后，通過真空吸盤去除金屬聯鎖結構內殘留的松散粉末，并在FFF工藝中用聚合物填充金屬聯鎖結構。加壓系統用于將熔融聚合物（PLA）壓縮到金屬互鎖結構中，以在金屬和聚合物之間形成機械互鎖結構，如圖18（e）所示。
比利時Aerosint公司基于電子攝影法，開發了一種LPBF 多材料3D打印機，可以以相對較高的效率打印聚合物、陶瓷和金屬粉末（圖19（a））。例如，可以基于粉末體素的選擇性沉積來打印具有異種材料層內分布的316L SS/CuCrZr多材料零件（圖19（b）和（c））。粉末分配器是該設備的關鍵部件，它使用兩個鼓形粉末供給系統實現兩種不同材料在任何區域的分配。鼓形送粉系統數量的增加使得能夠打印更多的材料類型。此外，該系統的非接觸粉末鋪展可以在脆性材料上打印，而不會產生剪切和摩擦，從而防止打印零件的局部翹曲。
圖19 基于Aerosint SA開發的基于電子攝影的方法的多材料LPBF設備示意圖：（a）選擇性粉末重涂示意圖，（b）打印工藝，（c）打印316L SS/CuCrZr多材料零件。
盡管已經開發了各種多材料LPBF設備用于打印多功能和幾何復雜零件，但效率低和粉末交叉污染仍是該設備面臨的關鍵挑戰。高效、高質量的粉末輸送系統，用于靈活組合和精確分配不同材料，仍然是工業應用的先決條件。
l 數據準備
多材料結構LPBF處理的先決條件之一是創建其3D模型。目前，由于可用商業軟件的限制，大多數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顯示了多材料的數據準備方法，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，不利于大規模生產和廣泛的工業應用。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據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打印的手動數據準備程序。
目前，增材制造中普遍接受的數據格式包括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據格式，已成為商用增材制造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域的材料信息而開發的。OBJ文件可以表達顏色信息，但仍然無法表達材質信息。AMF文件是美國材料與試驗協會（ASTM）為標準化而提出的一種多材料AM數據格式，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文件使用多邊形網格來表達零件的表面信息，例如紋理和顏色。
圖21（a）顯示三維排列體素的概念圖，以及（b）FAV格式可以保留內部結構、顏色和材料的信息。
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部的數字信息，包括其顏色、材料和連接強度，如圖21所示。
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）。
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（合成模式生成網絡）編碼的計算方法，以及一種使用NEAT（增強拓撲的神經進化）的可擴展算法，通過笛卡爾坐標的函數通過逐體素描述將多材料信息嵌入到多材料零件中（圖22）。為了減少多材質結構體素模型從通用幾何格式（即STL文件）轉換的計算量，General（2018）提出了一種替代設計支持系統，用體積紋理圖表示材質幾何拓撲。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，函數表示是一種有效的方法，可以為描述具有復雜內部結構的多材料物理對象提供可行的方法。
(責任編輯：admin)
Himed評估不同噴砂磨料在3
粉末粒徑可以控制增材制造
Divergent公司以3D打印技
浙大口腔醫學院：生物3D打
新型類器官樣神經血管球促
推動粘結劑噴射（鑄造/金
選區激光熔化增材
大型聚合物3D打印
6K Additive最新
如何打造增材制造
從實驗室走向生產
3D打印在口腔修復
