以下文章来源于中子科学实验室 ，作者李怡睿

根据3D科学谷的技术洞察，晶体塑性有限元仿真（Crystal Plasticity Finite Element Simulation，简称CPFE）是一种用于模拟多晶体材料塑性变形行为的计算方法。它考虑了材料的微观结构特征，如晶粒取向、晶界、相分布以及滑移系统的活动，从而能够预测材料在宏观尺度上的力学响应。

发表在《Scientific Reports》上的《Crystal plasticity simulations with representative volume element of as-build laser powder bed fusion materials》，介绍了一种新的建模方法，用于模拟激光粉末床熔融技术（LPBF）制造的金属材料的机械性能。这种方法考虑了微观结构的统计分布，包括每相的尺寸、多种微结构类型的形状参数以及它们的形态和晶体学取向。

借助中子科学实验室的分享，本期，3D科学谷与谷友共同领略这一研究如何为模拟和理解增材制造材料的复杂微观结构和力学行为提供了一个强大的工具。

3D科学谷洞察

“理解增材制造（AM）材料的复杂微观结构和力学行为的模拟方法通常涉及多尺度建模和仿真技术。这些方法旨在从微观层面（如晶粒、相和缺陷）到宏观层面（如整体材料性能）预测材料的行为。”

Scientific Reports 13, 20372 (2023)
Published: 21 November 2023

使用激光粉末床熔合技术（LPBF）对金属材料进行增材制造（AM），通常会形成各种化学相及其相应的微观结构，而这些微结构具有非常复杂的形状和尺寸。与热处理后的材料相比，这种材料具有更高的复杂性，因此如何准确模拟其机械性能是一项严峻的挑战。

日本材料科学国家研究所以一个完整的工作流程为例，介绍了一个建模的新方法。这种方法考虑到了微结构的统计分布：每相的尺寸、每种微结构类型的多个形状参数以及它们的形态和晶体学取向。该方法还可以对流程中的每个步骤（包括晶体塑性模型中的参数）进行微调，以实现实验应力-应变曲线与模拟结果之间的对应。这项工作是迄今为止最具挑战性的增材制造材料合成体积重构实例。该工作以《Crystal plasticity simulations with representative volume element of as-build laser powder bed fusion materials》发表在《Scientific Reports》上。

 参数获取

▲ 图1. 模拟金属材料拉伸测试的的一般流程

图1显示了模拟金属材料拉伸测试的的流程。首先是利用SEM、EBSD和X射线 CT 技术从样品中收集各项数据，然后从观察到的微观结构中提取相关的统计信息，接着是代表性体积单元（RVE）的重建和为晶体塑性（CP）建模准备其他的相关输入数据，最后是进行拉伸试验模拟。流程中的每一步都可以根据先前的输入、所需的微观结构类型或材料参数进行修改。

SEM和EBSD可以输出具有等效圆直径（ECD）、最小和最大 Feret 直径、每个晶粒的晶体学欧拉角以及以IPF和/或晶粒ID颜色显示的2D图像的数据表。

RVE通过DREAM3D重建，需要以下信息：(1)体积分数 (2)尺寸分布 (3)形态 (4)微观结构的织构。体积分数可以直接获得；尺寸分布用微观结构对象的平均等效球直径(ESD)的对数正态形状概率密度函数(PDF)进行近似；形态由概率密度函数定义；微观结构织构通过轴向取向分布函数（ODF）控制，该函数将晶粒的三个主轴与RVE的XYZ轴对齐。这样的轴向ODF可以通过欧拉角、权重以随机分布的倍数（MRD）为单位进行控制。为了保持合理的CP模拟时间和PC资源消耗，RVE被限制为128 × 128 × 16像素。

▲ 图2. 重建的RVE：(a) 三种颜色方案的 RVE：微观结构、晶粒和晶粒晶体学（裂缝除外）；(b) 沿 x 、 y 和 z 轴的克隆 RVE：所有微观结构、阈值柱状结构和裂缝

 晶体塑性模拟

RVE几何文件被传递给DAMASK求解器，以模拟拉伸测试结果。在模拟中，研究人员使用了现象学/经验模型来描述塑性应变。

模拟的应力-应变曲线（SSCs）以“名义”或“工程”（力除以原始截面积）应力的第一个分量绘制，即 Piola-Kirchhoff应力张量的转置。在此图中，现象学模型中用于CP模拟的参数 a，n ，γ0 ，τ0α τ∞ 和 h0 被手动调整。每次模拟大约需要28小时，每条曲线有2400个数据点以确保收敛。

图3显示了使用IN738LC的CP参数和边界条件，不同RVE的无裂纹宏观应力-应变曲线，并与文献和实验进行比较。

▲ 图3. 文献与实验的SSCs与沿 x 轴（a）和 z 轴（c）进行单轴拉伸的模拟 SSCs 的比较，适用于不同的 RVE（b）

从图3可以看出，仿真获得的不同RVE的SSC具有相似的形状，仅在垂直位移上有所不同。这表明尽管RVE之间存在相应的微观结构差异，SSC 主要受初始滑移和塑性流动的饱和阻力影响，即分别由 τ0α 和 τ∞ 参数影响。实验和计算上观察到单轴拉伸下沿着图3a和c中的 x 和 z 轴的SSC之间的弱各向异性，但在垂直 SSC 位移方面并无定论。观察到的最大各向异性来自仅有7个晶粒的FEM建模RVE，这表明主要的影响因素不是柱状形态，而是特定的晶体取向。

通过重建的RVE，模拟的拉伸测试展示了实验观察到的弱各向异性行为。这种现象取决于沿 LPBF建造方向和横向的拉伸。这表明主要的影响因素不是柱状晶粒形态，而是它们特定的晶体取向。

来源
中子科学实验室 l

Nature子刊：激光粉末床熔合技术制造的材料的晶体塑性有限元仿真

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

一些创新型企业正在突破电子束粉末床熔融技术的技术限制，从而使得E-PBF在未来成为大规模制造技术，特别是在自动化和数字化工作流程方面。国际上，Freemelt是一家专注于电子束粉末床熔融（E-PBF）技术的金属3D打印公司，其技术特别适用于新材料的研究与开发。

▲ futureAM
© 3D科学谷白皮书

 开放式系统

Freemelt的系统是开放式的，允许用户访问和修改机器的参数，这对于科研机构来说非常有用，因为它们可以表征新材料并在材料科学或电子束3D打印领域进行前沿工作。Freemelt One系统是Freemelt的主要产品，它配备了6千瓦的电子束枪，床温可高达1200°C。该系统具有开放式体系结构软件，并支持知识共享。

Freemelt ONE系统适用于任何导电金属，包括钨、钛合金、超合金、铜合金和难熔金属。Freemelt的软件是真正的开源，用户可以调整和发展代码，并在社区内共享，以加速未来材料的开发。

提供快速高效的加热，Freemelt开发了ProHeat技术，使用电磁辐射来稳定烧结每一层粉末，同时具有消除应力的优势。该技术允许在不与电子相互作用的情况下进行预热，消除粉末带电，保持最高真空纯度和最佳光束质量，无需消耗昂贵的高纯度惰性气体。

Freemelt的技术被广泛应用于涉及广泛研发的复杂系统以及重复性很高的服务，业务遍布各大洲，并不断开发、调整和改进新技术，以满足客户不断变化的需求。Freemelt最近收到了来自伯明翰大学和Nuclear AMRC的订单，用于开发各种难熔金属、超合金和铜的材料工艺，以及用于聚变能源应用的钨部件。

Freemelt的激光增材制造技术以其开放式系统、专业的材料研发能力和创新的ProHeat技术而闻名，正在推动金属3D打印技术的发展，其中Pixelmelt是Freemelt公司推出的一款新软件，旨在提高3D打印的生产力和加速材料开发，3D科学谷认为这种方式类似于逐像素构建照片，将熔化“打印”在粉末层上的Pixelmelt将充分的释放电子束增材制造发展空间。

 每秒内跳跃于数万个熔点之间

Pixelmelt软件被设计为更快的材料开发和更高效的3D打印软件，与Freemelt ONE系统一起使用，以提高研究用户的创新能力和生产力。

© Freemelt

Freemelt的系统使用电子束熔化金属粉末，与大多数竞争对手使用的激光束相比，电子束具有更高的功率和更快的移动速度（每秒4000米），这是激光束速度的数百倍。这使得电子束能够在每秒内跳跃于数万个熔点之间，并以最佳方式分配热量。使用Pixelmelt，客户可以在表面上以自由点图案熔化粉末材料，而不是沿着平行线，这有助于提高生产率并促进新材料的创新。

© Freemelt

Pixelmelt软件为用户提供了更多的工艺优化自由度，用户可以在同一个3D构建中的不同组件之间以及每个单独组件内部变化工艺参数。这可以类比于逐像素构建照片，用户可以自行决定像素的顺序和颜色。3D科学谷认为Pixelmelt软件通过自动化显著加快了构建文件的创建过程，并允许用户通过自由的构建参数和点扩散算法定义自己的流程。与传统的线熔化相比，Pixelmelt采用点熔化技术，即逐点熔化，使得在表面上以自由点图案进行构建成为可能，而不是沿着平行线熔化粉末材料，这为提高生产率铺平了道路，这种技术的优势使得电子束3D打印过程更加高效和精确，有助于推动增材制造技术在更多行业中的应用，如能源、国防、医疗技术和骨科植入物等领域。

3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery

Pixelmelt技术提高3D打印精度的主要方式体现在以下几个方面：

自由点图案熔化（Spot Melting）：Pixelmelt技术采用自由点图案熔化，与传统的线熔化相比，点熔化可以更精确地控制熔化过程。由于电子束可以在每秒内跳跃于数万个熔点之间，这种技术可以更精确地控制热量分布，从而提高打印精度。

自动化构建文件创建：Pixelmelt通过自动化显著加快了构建文件的创建过程，减少了人为错误，提高了打印的一致性和重复性。用户可以定义自己的流程，通过自由构建参数和点扩散算法来优化打印过程。

更高的扫描速度：Freemelt的电子束可以以高达4000米/秒的速度移动，这是激光束速度的数百倍。这种高速度使得电子束可以在每个熔化点之间快速跳跃，以最佳方式分布热量，从而提高打印的精度和质量。

过程参数的自由度：Pixelmelt软件允许用户在同一个3D构建中的不同组件之间以及每个单独组件内部变化工艺参数。这种灵活性类似于逐像素构建照片，用户可以自行决定像素的顺序和颜色，从而实现更精细的控制和更高的精度。

多种熔化算法和停留时间算法：Pixelmelt提供多种点扩散算法和停留时间算法，用户可以根据需要调整这些算法的设置，以获得最佳的打印效果和精度。

云服务模型：Pixelmelt的云服务模型确保了用户构建文件的易于访问和在组织内部的共享，这有助于合作和项目管理，同时也使得算法的重型计算在云端完成，用户无需担心构建文件的生成，可以更专注于创新和发展。

逐层控制：Pixelmelt允许对每一层进行单独控制，如果需要，可以使用不同的参数，这为精确控制打印过程提供了更多的灵活性。

Insights that make better life

Pixelmelt技术通过提供更高的扫描速度、自由点图案熔化、自动化构建文件创建、多种熔化算法和逐层控制等功能，显著提高了3D打印的精度和质量。

此外，根据3D科学谷的了解，Freemelt还迎来了重磅资深专家的支持，Johannes Henrich Schleifenbaum教授被选举为Freemelt Holding AB董事会成员，Schleifenbaum教授拥有丰富的金属加工和增材制造经验，特别是在增材制造、功能层和智能材料方面，拥有200多篇科学报告以及多项专利。

目前，Schleifenbaum教授是亚琛增材制造中心（ACAM）的常务董事，同时也是德国亚琛工业大学数字增材生产（DAP）研究所的主任和教授。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

以下文章来源于极端制造 IJEM ，作者Editorial Office

激光粉床熔融 (LPBF) 是一种增材制造 (AM) 工艺，依靠激光根据三维CAD模型选择性地熔化连续的金属粉末层。LPBF激光粉床熔融3D打印工艺的优势是能够生产复杂的几何形状，同时最大限度地减少交货时间和材料浪费。尽管有许多优点，但该过程仍然面临一些限制。特别是，缺陷的随机形成仍然是一个主要问题，因为它会导致机械性能下降，这阻碍了LPBF 在关键应用中更广泛的工业化采用。

小孔缺陷可能导致零件的机械性能下降，通常在加工后通过非破坏性质量检查程序和孔隙去除处理来检测和去除。而在LPBF金属激光粉末床熔融增材制造工艺过程中监测和控制缺陷的形成可以避免此类耗时且成本高昂的后处理阶段。

近期，伦敦大学学院机械工程学院（UCL Mechanical Engineering）Peter D. Lee教授，Chu Lun Alex Leung副教授，郭耷博士后研究员及其团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an Al-Fe-Zr alloy》的研究论文，系统介绍了LPBF中飞溅与凹陷区的动态联系。

▲论文链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad4e1d

 亮 点

• 通过高速原位x射线成像分析LPBF过程中飞溅与匙孔/凹陷区之间的动态联系；
• 发现新的飞溅形成机制；即由金属蒸气压力、Kelvin-Helmholtz不稳定性和马兰戈尼对流共同作用下于匙孔后缘形成的后缘液滴飞溅；
• 发现新的表面缺陷形成机制；即由激光-小颗粒粉末飞溅相互作用导致的表面孔洞，被称为飞溅引入孔洞；
• 推荐低能量密度（低扫描速度）的金属3D打印参数，以最小化LPBF的飞溅和表面缺陷形成。

 导 读

激光粉末床熔融（LPBF）是一种功能强大的增材制造/3D打印（AM）技术。它可以在无模具成本的情况下高效地逐层制造出具有复杂结构的小型金属组件。相比于传统的金属制造工艺，LPBF具备超高的设计自由度和精度，是适用于航空航天，机械自动化以及医学领域的理想技术。然而，激光工艺的不稳定性导致了缺陷的形成，尤其是飞溅导致的表面缺陷，会直接影响制造部件的疲劳性能。由于难以实现满足严格高质量标准的低缺陷、高密度金属组件，LPBF在各个行业的关键应用中受到了阻碍。

「 3D科学谷Highlight 」

© 3D科学谷白皮书

飞溅的产生源自于激光-粉末-液态金属的相互作用。在LPBF过程中，根据其形成机制发现了四种类型的飞溅：(i)粉末飞溅，(ii)夹带飞溅，(iii)粉末聚结飞溅，以及(iv)液滴飞溅。当高能的激光束撞击粉末床时，局部加热导致液体金属表面汽化，形成高压蒸汽射流。蒸汽射流产生的反冲压力导致金属液面的向下凹陷（称作匙孔或者凹陷区）。在激光-物质相互作用区域，高速向上的蒸汽流将熔池周围的粉末喷射出去形成粉末飞溅。同时，高速气流产生的低压诱导惰性保护气体向内流动，卷带粉末颗粒形成夹带飞溅。高温使粉末表面局部熔化进而产生聚结，并被保护气体气流夹带形成不规则的大颗粒飞溅。液滴飞溅主要是由不均匀的反冲压力引起的熔池液面波动，蒸汽压力克服液体表面张力导致液体破裂时形成的。

大尺寸的颗粒飞溅，例如液滴飞溅和粉末聚结飞溅，通常被认为是LPBF过程中缺陷生成的主要来源。过大的飞溅可能粘附在增材制造零件的表面上，增加其表面缺陷和粗糙度；它们还可能镶嵌在后续建造层的粉末床中，导致因不均匀的能量吸收而熔合不完全，最终产生孔隙。同时，飞溅颗粒可能发生氧化，降低粉末的可回收利用率和可重用性；表面氧化物会抑制颗粒熔合并促进孔隙形成，从而降低LPBF部件的密度。然而，关于小颗粒飞溅对部件缺陷的影响研究却略显不足。

目前，大部分研究采用原位高速光学成像，红外热成像或者Schlieren成像来捕捉LPBF过程中的动态蒸汽射流和飞溅，但这些成像技术无法同时实现高时间分辨率和高空间分辨率。而同步辐射x射线光源具有极高的时间（高达1MHz）和空间分辨率，这对于高速动态现象（飞溅）的可视化以及细节呈现至关重要。

图1展示了运用原位高速（40 kHz）同步辐射x射线成像捕捉LPBF中高速飞溅和熔池变化的动态过程。

▲图1 LPBF过程中原位同步辐射x射线成像装置的示意图。

 研 究 背 景

当使用适当的工艺参数时，LPBF打印的组件在缺陷水平和机械性能方面可以优于铸件。然而，目前它们的表面质量和缺陷水平可能尚未达到锻造产品机加工组件的水平。因为铝的加工相对廉价，且废料可以高效回收，LPBF的铝合金组件目前仅在少数细分应用中能替代机加工组件。在工业中，铝合金LPBF在生产短交期的原型件（如非机加工的备件）或用单个增材制造组件替换复杂的组件系统时变得具有吸引力。

铸造铝合金如AlSi10Mg和高强度铝合金（例如6xxx和7xxx系列）在增材制造应用中可能表现出较差的机械性能或工艺性。为此，Constellium科技公司研究了新型的Al-Fe-Zr合金系统，并在铝协会注册为AA8A61.50。该合金设计简化了LPBF的生产过程。打印后，在400°C下进行4小时的沉淀硬化处理，其组件能达到约300 MPa的峰值屈服强度和高水平的导热性（180W/m·K）以及导电性（高达30 mS/m）。并且，AA8A61.50的打印组件通常表现出低内部缺陷和低残余应力。表面缺陷（或粗糙度）的减少能进一步改善其LPBF组件的疲劳性能，而这些表面缺陷通常与飞溅的形成有关。

综上，为了更深入理解LPBF中飞溅的形成演变机制， 从而防止它们的形成，UCL团队运用高穿透，高时间以及空间分辨率的同步辐射光源于动态飞溅的研究。在本文中，UCL团队对LPBF金属3D打印中高速飞溅的最新研究进行了详细的介绍。

 最 新 进 展

最新进展主要分为四个部分：LPBF原位x射线成像实验设计以及图像处理，飞溅的种类与形成机制，动态飞溅的定量分析，新的表面缺陷形成机制分析。

「 3D科学谷Highlight 」

© 3D科学谷白皮书

LPBF原位x射线成像实验设计以及图像处理，本实验中使用的设备是由UCL团队研发定制的LPBF激光3D打印设备，称为Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）。如图2所示，该设备由四个RenAM 500Q（英国Renishaw公司）激光扫描头、高速摄像机以及一个充满氩气保护气体的工作室组成。其激光功率最高可达500瓦，可还原工业级别的LPBF打印参数。原位实验前，一个厚度为1毫米、高度为15毫米的基板被镶嵌在两片极薄的玻璃碳窗片之间，并安装在工作室中。料斗在基板上自动沉积一层薄薄的粉末（约为60微米）。在原位x射线成像实验中，激光同步运作以模拟LPBF中加工薄粉末层的过程，参照视频1中的示例。

▲图2 定制设备Quad-laser in situ and operando process replicator（Quad-ISOPR）的示意图。

原位实验在欧洲同步辐射光源实验室（ESRF）的高速成像光束线ID19上进行。该光束线使用两个U32摆动器产生多色硬X射线束，平均能量约为30 keV。当入射光束通过样品和封闭在两侧的玻璃碳窗后，衰减的X射线被LuAG: Ce闪烁体转换并发出可见光。可见光图像通过5倍物镜放大，然后由高速相机（Photron FASTCAM SA-Z 2100 K，日本Photron公司）以40 kHz的帧率捕获。本次实验的视场（FoV）为1024像素（宽）× 512像素（高），各向同性像素大小为4.3 微米。

获取的原始射线图像均使用ImageJ和MATLAB©进行处理。首先使用公式=0/ 对图像进行平场校正。为了去除静止物体，应用了自定义的背景减除。之后通过应用高斯滤波器和手动阈值对固体飞溅和液滴颗粒进行分割。最后使用ImageJ中的TrackMate插件，通过应用掩模检测器和高级卡尔曼跟踪器，对飞溅颗粒运动进行跟踪和量化（参见视频2中的示例）。每条轨迹上识别出的颗粒的最大帧数设置为3帧。为了捕捉稳态匙孔或凹陷区形态，使用Python脚本对背景去除后的图像重新框定以聚焦于熔池区域。

飞溅的种类与形成机制。如图3所示，研究人员对LPBF过程中的五种飞溅颗粒进行了分类，并根据其形成机制将其划分为：固态粉末飞溅、固态夹带飞溅、粉末聚结飞溅、喷射液滴飞溅和大液滴飞溅。其中前4种飞溅的形成机制详解于文章导读章节。除此之外，研究人员发现了新的液滴飞溅的形成机制（称为后缘液滴飞溅）。如图3（d-g）所示，在匙孔熔化条件下，马兰戈尼对流将匙孔底部附近的液态金属推向上部熔池表面。强烈的蒸汽流（蓝色实箭头）会在匙孔后壁产生蒸汽压力。金属蒸汽和液态金属之间的速度和密度差异在气-液界面处引起扰动，即Kelvin-Helmholtz不稳定性。Kelvin-Helmholtz不稳定性和马兰戈尼对流（红色虚线箭头）的共同作用促使在后缘处形成一个大的液体突起。当蒸汽射流继续与突起持续相互作用时，它会使液态金属过热并降低其表面张力，形成一个缩颈区。一旦蒸汽压力克服了缩颈区的表面张力，大的液滴就会脱离并被蒸汽射流喷射出去形成后缘液滴飞溅。

同时，研究人员定量分析了飞溅颗粒的尺寸和数量，其中飞溅尺寸分布与线性能量密度（）之间没有相关性。然而，固体或液滴飞溅颗粒的数量与之间却存在强正相关性。因此，研究人员推导出以下公式来预测AA8A61.50在LPBF过程中飞溅颗粒的数量：

固态飞溅：

液滴飞溅：

这两个公式均可用于未来LPBF中飞溅模型的验证以及设计新的打印参数以达到飞溅最小化。

▲图3 LPBF中飞溅颗粒的分类与形成机制：（a-b）用不同颜色区分的5种飞溅粒子类型；(c)飞溅形成机制的示意图；（d-g）后缘液滴飞溅的形成机制；（h）固态飞溅、液滴飞溅和粉末聚结飞溅的直径分布；（i）固态飞溅、液滴飞溅和粉末聚结飞溅的圆度分布；（j）不同线性能量密度下的固态飞溅和液滴飞溅的数量和直径。

动态飞溅的定量分析。为了理解在不同扫描速度和激光功率下的飞溅动态，我们在LPBF过程中追踪并量化了固态飞溅以及液滴飞溅颗粒的轨迹角度和速度。同时我们还将将飞溅的动能与输入的激光能量进行比较，以估计飞溅生成过程中消耗的能量百分比（PE）。

图4展示了不同激光功率和扫描速度下飞溅颗粒的运动轨迹角度、速度以及消耗能量百分比，并与相对应的匙孔/凹陷区形态进行比较。研究结果表明匙孔/凹陷区形态对于飞溅颗粒的轨迹角度影响较大。而线性能量密度与飞溅速度/动能之间呈正相关，这是因为较高的线性能量密度（较高激光功率或较低扫描速度）会在LPBF过程中引起更多的金属汽化和更高的蒸汽压力。同时，较高的扫描速度有利于减少夹带粉末飞溅的产生。

综上，研究人员建议在激光功率为420瓦的情况下，使用更快的扫描速度（>1米/秒），以使得AA8A61.50合金在LPBF打印过程中减少整体飞溅数量,飞溅速度和粉末夹带。

▲图4 LPBF过程中的动态飞溅的定量分析：（a，b）飞溅颗粒运动轨迹角度；（c, d）飞溅颗粒速度和能量消耗百分比；（e，f）匙孔/凹陷区形态。

新的表面缺陷形成机制分析。先前大量研究表明，大液滴飞溅可能会被困在打印层之间，导致杂质和孔隙，从而对LPBF产品的性能产生不利影响。通过对x射线图像的逐帧分析，研究人员发现了由小颗粒固态飞溅导致的新的表面缺陷的形成机制（称为飞溅引入孔洞）。

图5（a-f）展示了飞溅引入孔洞的形成机制。一个约36微米的前向飞溅颗粒首先被喷射到激光扫描路径中，然后在激光辐射力（Frad）作用下改变其轨迹方向，高速飞向粉末床（称为激光-飞溅相互作用）。在飞溅与粉末床碰撞时，引起更多的粉末飞溅并在激光束前方形成一个局部裸露区，激光熔化后在最终打印层中形成一个表面孔洞。同时图5（g-h）表明，较小的匙孔/凹陷区前壁角度会产生最少的前向飞溅颗粒，从而降低激光-飞溅相互作用的概率。最终减少表面孔洞产生的可能性并改善表面质量（即低表面粗糙度）。

▲图5 LPBF过程中的表面缺陷的新形成机制：（a-f）飞溅引入孔洞形成机制；（g-h）激光-飞溅相互作用频率、表面粗糙度、匙孔前壁角度和飞溅轨迹角度之间的关联。

 未 来 展 望

由于高速成像技术时间或空间分辨率的限制，目前对于LPBF金属3D打印过程中动态飞溅的理解和认知还稍显不足。本研究应用高速同步辐射x射线成像技术在新合金AA8A61.50 LPBF打印过程中进行了飞溅颗粒的动态研究，证明了同步辐射光源在高速动态现象研究中的潜在应用价值。因此，研究人员认为未来LPBF中飞溅研究的发展方向应侧重于利用同步辐射光源对不同合金（例如在增材制造应用广泛的不锈钢、钛合金、镍合金、铝合金等）在LPBF打印过程中产生的飞溅进行定量分析，最终实现LPBF金属3D打印飞溅最小化以及表面质量最优化。

作 者
郭耷、Rubén Lambert-Garcia、Samy Hocine、范贤强、Henry Greenhalg、Ravi Shahani, Marta Majkut, Alexander Rack、Peter D. Lee、 Chu Lun Alex Leung

机 构
伦敦大学学院（UCL）
哈韦尔研究中心（Research Complex at Harwell）
英国国家科研与创新中心 （UK Research and Innovation）
欧洲同步辐射光源实验室（ESRF）
HiETA 科技公司
Constellium 科技公司

Citation
Guo D et al. 2024. Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an AlFe-Zr alloy. Int. J. Extrem. Manuf. 2024, 6, 055601.

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺结合后续热处理增材制造含碳 CrMnFeCoNi 高熵合金 (C-HEA) 纳米复合材料。热处理步骤不仅会产生异质结构晶粒，而且会在晶粒和子结构边界处产生均匀分布的纳米碳化物析出物。与其他 CrMnFeCoNi HEA高熵合金相比，通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺制造的C-HEA高熵合金表现出优异的高温抗蠕变性。

本期，结合《Superior resistance to high–temperature creep in an additively manufactured precipitation–hardened CrMnFeCoNi high–entropy alloy nanocomposite》这篇论文，分享的是来自韩国仁荷大学材料科学与工程系和韩国材料科学研究所 (KIMS)的研究团队的最新发现。

© 3D科学谷白皮书

 简介

高温性能是一个理想的标准，特别是对于用作飞机、航天器和运输的下一代结构部件的材料，因为这些材料需要对极端环境具有高耐受性。在这方面，高熵合金（HEA）是作为下一代结构部件的有希望的候选者，因为它们在较宽的温度范围内具有优异的物理、化学和机械性能。

在 HEA 家族的众多成员中，面心立方 (FCC) 结构的等原子 CrMnFeCoNi（称为坎托合金）由于其优异的拉伸强度、断裂韧性、高循环性能而受到越来越多的关注。近年来，这种CrMnFeCoNi合金体系的抗蠕变等高温力学性能受到广泛研究。

研究结果表明，尽管蠕变行为主要由缓慢的元素扩散主导，但其抗蠕变性并不优于其他 FCC 结构的金属材料。因此，为了进一步提高HEA的高温机械性能，需要额外的后处理或添加合金元素，但这些补救措施会增加成本并使制造过程复杂化。在这种情况下，有希望的解决方法是向 HEA 添加具有成本效益的间隙原子，同时可以优化组件的几何形状。

金属增材制造（AM）技术能够制造具有净形状的高性能金属产品，并为设计具有更复杂几何形状的组件和强化材料结构提供无限可能性。在适用于金属零件制造的增材制造技术中，选区激光熔融（SLM）金属3D打印技术不仅可以最大限度地提高几何形状的自由度，还可以最大限度地提高机械性能。

研究团队发现通过激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺结合后续热处理增材制造含碳 CrMnFeCoNi 高熵合金 (C-HEA) 纳米复合材料具有优异的机械性能。人们已经认识到添加碳可以提高强度，同时保持延展性。此前有研究证实添加高达 3.3 at% 的碳可以同时提高 CrMnFeCoNi HEA 的强度和延展性。此外，有研究发现LPBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺可以使 CrMnFeCoNi HEA 高熵合金中的碳过饱和，而不会引入任何大的缺陷和裂纹，这种碳水化合物的过饱和通过后热处理。此外，该合金在室温下具有 1.2 GPa 的优异拉伸强度和20%的延展性。

▲ (a) SEM显微照片和相应的EDS元素映射图像；(b) EBSD IPF 图显示了分层和异质晶粒结构。 (c1) 高倍率 EBSD IPF 图像和 (c2) GND 分布图。
© Materials&Design

在目前的工作中，研究团队研究了增材制造的含碳 CrMnFeCoNi HEA 的高温蠕变和蠕变变形行为，并随后进行了热处理。具体来说，这项研究重点关注定制的微观结构如何影响高温蠕变阻力和高温下微观结构的演变。研究团队发现，稳定的亚晶强烈阻碍位错运动和微观结构演化，从而产生优异的抗蠕变性。

 结论

在这项工作中，研究团队研究了增材制造的过饱和含碳高熵合金（C-HEA）的后热处理引起的稳定亚晶粒对合金高温蠕变抗力的影响。得出以下主要结论：

▲ 微观组织
© Materials&Design

- 含碳 CrMnFeCoNi HEA 的增材制造工艺和后续热处理不仅形成了具有位错网络亚结构的异质结构晶粒，而且在晶粒和亚晶界处形成了均匀分布的碳化物。

- 激光粉末床熔融 (LPBF) 工艺加工的C-HEA 的高温抗蠕变性能优于 CrMnFeCoNi 高熵合金。C-HEA 的蠕变速率比传统加工的 HEA 低两个数量级。

- 详细的微观结构观察证实，稳定的亚晶粒诱导了极度锯齿状晶界的形成，从而进一步强化了亚晶粒，并抑制了高温蠕变过程中的再结晶，从而产生了优异的抗蠕变性。

上述发现得出结论，由于快速凝固而形成的独特的过饱和碳，在后热处理过程中转化为额外的纳米碳化物沉淀物，这些沉淀物均匀分布在整个基体中。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

将铜合金与不锈钢相结合对于某些区域需要高导热性/导电性以及其他区域需要高强度和耐腐蚀性的部件很有吸引力。通常，3D打印的样品表现出明显的混合和两种类型的缺陷：CuCrZr 中的孔隙度和界面附近的钢裂纹。根据3D科学谷的市场研究，瑞士ETH苏黎世联邦理工学院通过热等静压与激光粉末床熔合耦合，开发了制造无缺陷铜钢复合材料新策略。

▲ 热等静压HIP与激光粉末床LPBF耦合
© ETH

多材料增材制造工艺能够创建具有复杂几何形状的双金属结构，这是其他方法无法制造的。例如，将铜合金和不锈钢合并到单个组件中可以利用铜的高导电性和导热性以及钢的机械强度和耐磨性。这种集成可用于发电、传热和电子等多个领域。

3D科学谷

▲ 超材料
© 3D科学谷白皮书

 条条大路通罗马

此前，来自苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴率先在多材料激光粉末床融合中使用激光束整形， 通过深入研究铜钢组合，解决了界面处的脆化现象，即铜污染裂纹 (CCC)，将界面处的材料混合限制在几十微米内。与传统的高斯光束激光器相比，这不仅显着减少了界面缺陷，而且改变了多材料结构的微观结构。而近日，苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴又开发了另外一种制造无缺陷铜钢复合材料新策略。

这一次，苏黎世联邦理工学院的先进制造实验室及其合作伙伴通过热等静压 (HIP) 通过闭合毛孔和愈合裂纹有效解决了无缺陷铜钢复合材料的制造挑战。HIP热等静压后保留了非常细小的晶粒结构，事实证明，局部保留粉末未熔化并通过热等静压闭合，是通过 PBF-LB 生产无缺陷 316L-CuCrZr 零部件的成功策略。

根据3D科学谷《金属与金属 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》一文，传统的钢-铜 多材料 组件制造包括以下步骤：焊接、热轧和复合铸造。然而，多材料AM-增材制造技术可以在优化的工艺条件下一步生产出机械性能得到改善的 316 L/CuSn10 不锈钢铜合金组件，并防止界面处出现裂纹且实现晶格设计，这在传统制造方法中是不可能的。

苏黎世联邦理工学院及其合作伙伴的目标是探索将 MM-PBF-LB 与随后的热等静压 (HIP) 处理相结合的潜力，以便制定创新策略来提高技术应用中异种材料组合的完整性和功能性。特别是，表征并讨论了 PBF-LB激光选区熔融3D打印与HIP热等静压结合对零件界面的微观结构、完整性和局部机械性能的影响。

 结论

苏黎世联邦理工学院及其合作伙伴发现，就生产的 CuCrZr-316L 复合材料零件的完整性而言，PBF-LB HIP 后处理可有效闭合多材料 PBF-LB 后 CuCrZr-316L 铜合金与不锈钢结合界面附近可见的众多裂纹和孔隙。

机械性能受HIP处理的影响，尤其是 CuCrZr 的机械性能。经过PBF-LB激光选区熔融3D打印加工后，由于旋节线分解形成的细铁颗粒和局部非常细的晶粒尺寸的综合强化作用，靠近316L不锈钢界面的CuCrZr铜合金硬度高于块体的硬度。HIP热等静压处理后，由于残余应力的消除以及 Cr 和 Zr 的沉淀，观察到CuCrZr块体的硬度总体下降。然而，CuCrZr 在靠近与钢的界面处仍然较硬，因为在 HIP 过程中保留了细晶粒结构，这被认为是由非常细的富含 Cr 和 Fe 的沉淀物的晶界钉扎效应引起的。除了机械性能之外，值得一提的是，在PBF-LB激光选区熔融3D打印快速冷却过程中，固溶体中捕获的元素的沉淀对于寻求高导电性或导热性的应用是有益的。

与界面完全熔化相比，在靠近316L不锈钢界面处留下一定的未熔化 CuCrZr 粉末似乎在 HIP 后不会产生明显的机械性能差异。这种策略对于在两种材料之间创建更清晰的界面仍然很有趣。

在工业环境中，与单独的PBF-LB激光选区熔融3D打印相比，额外的 HIP热等静压处理可能会增加生产成本和时间。然而，对于需要极低残余孔隙率的应用（例如航空航天工业），HIP热等静压处理已成为常见做法。此外，如果进行后续的HIP热等静压处理工艺，可以通过使用更高的层厚度和扫描速度来加速打印过程，从而降低成本，因为只要闭孔率满足，3D打印后就没有必要追求100%的密度。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

与 L/E-PBF 粉末床熔融金属3D打印工艺相比，在 MBJ 粘结剂喷射金属增材制造工艺中，金属颗粒不是通过能量输入来熔合的，而是使用液体粘合剂简单地粘合，接下来是所谓的生坯部件的脱脂和烧结，从而去除粘合剂，金属颗粒通过扩散过程进入金属键并形成几乎致密的成分。

尽管通过MBJ 粘结剂喷射金属增材制造降低组件的制造成本是可能的，而且医疗技术尤其为MBJ 粘结剂喷射金属3D打印工艺提供了许多有前景的应用，但这一突破尚未实现。 不仅MBJ 粘结剂喷射金属3D打印工艺所需要的必要的投资成本仍然与成熟的 L/E-PBF 粉末床熔融金属3D打印系统相当，而且还缺乏针对钛等生物材料的医学认证工艺路线，以及合适的粉末调理策略，缺乏直接使用MIM粉末将粘合剂喷射集成到相应的工艺路线中。

▲ 粘结剂喷射3D打印
© Fraunhofer IAPT

 从干燥到更好的3D打印

德国弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所及其研究合作伙伴,利用统计实验设计研究了提高流动性的不同粉末干燥策略。由于其与医疗应用的相关性，尺寸分布低于 25 μm 的球形 Ti-6Al-4V 粉末在各种参数下使用真空和气体吹扫进行干燥。研究的参数、时间和温度是在具有十一个测试和三个中心点的中心复合边界测试计划中选择的，分析了粉末的目标参数——水含量、流动性和杂质水平（氧、氮）。为了进行验证，在工业粘结剂喷射系统上进行了实际测试试验，对于所研究的粉末，确定了在 200°C 下持续 6 小时的优化干燥周期。组件的尺寸精度（从 ±1.5% 提高到 0.3%）和粉末床的视觉效果得到显着改善。

目前生物医学应用和假肢最相关的材料是钛及其合金，因为它们具有生物相容性、无毒等特性以及良好的机械性能。与 L-PBF粉末床激光熔融或 E-PBF 粉末床电子束熔融等基于熔融的增材制造技术相比，MBJ粘结剂喷射金属3D打印工艺在钛合金制造方面显示出明显的优势，特别是在创建个性化生物医学设备方面。举例来说，目前治疗手指关节疾病的形式，无论是类风湿性关节炎还是外伤，通常都会导致关节僵硬。此前，弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT开发了一种方法，可以生产在生物力学负载方面高要求的小型且精细的个性化植入物。根据3D科学谷的了解，Fraunhofer IAPT 采用的增材制造技术是基于粘结剂的3D打印制造技术。

© 3D科学谷白皮书

 显著提高生坯的质量

无需支撑结构即可生产特别复杂的零件，与L-PBF粉末床激光熔融和E-PBF粉末床电子束熔融相比，MBJ可以避免热应力，防止形状变形和开裂，并且不会引起不良的微观结构特征或材料损失，确保高材料回收效率和成本效益，特别是对于昂贵的材料。尽管有这些优点，但关于钛及其合金以及细 MIM 金属注射成型用金属粉末用于MBJ 粘结剂喷射金属3D打印工艺缺乏全面的研究。

德国弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所目前工作的目的是比较不同的干燥策略，研究相关性，特别是与所研究粉末的流动性有关的相关性，并找到优化的调节策略，当前的发现如下：

较长且较温暖的干燥时间可改善流动性并降低水含量的假设是可以接受的。分析干燥模型后，确定了 200 °C 下 6 小时的优化干燥周期。

可以说，Ti-6Al-4V粉末的调质工艺显着提高了其流动性。初次使用前，建议干燥新粉末。由于交付和储存时间不确定，新粉末中的水分含量可能会有很大差异。干燥粉末可以显着提高生坯的质量，特别是表面纹理和尺寸精度。

干燥调节还有助于减少3D打印过程错误。值得注意的是，调节时间的影响比温度的影响更明显。

弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT研究所下一步工作的主题将包括研究开发的调节策略如何影响材料的再利用。可以证明，对于单独的干燥循环，氧气或氮气没有增加。总体而言，对于MBJ粘结剂喷射金属3D打印工艺所使用的钛及其合金的回收利用还缺乏深入的研究，通过建立粉末调节和钛粉末再利用的具体指南，MBJ粘结剂喷射3D打印技术可以提高材料效率，而不必冒牺牲组件可靠性的风险，特别是在用于医疗组件制造的情况下。

论文：
Influence of Different Powder Conditioning Strategies on Metal Binder Jetting with Ti-6Al-4V

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

根据瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 工程学院机械冶金实验室 (LMTM) 的研究人员报告，他们发现可以根据增材制造机器在构建制造过程中的声音差异来实时检测缺陷。

© 3D科学谷白皮书

L-PBF选区激光熔融3D打印和 L-DED激光定向能量沉积3D打印过程中激光和原材料之间潜在的热相互作用比较相似，因为它们都依赖激光为粉末提供热量，通常将其完全熔化以形成熔池。 然后熔池在先前的层或基底之上凝固以形成所需的形状。 显然，这些过程的加工参数设置存在显着差异，因此需要采用不同的监测方法。

-《增材制造的过程监测 l 基于激光的金属增材制造过程监控和机器学习》

用于在 L-PBF增材制造过程中监听构建缺陷的实验设置
© 瑞士洛桑联邦理工学院

 掌握难以捉摸的变化

据称，当前的热成像和机器学习算法等传统监测方法存在很大局限性，经常忽视或误解缺陷。据说这使得增材制造用于精密制造变得难以捉摸，并可能限制其在航空和汽车制造等重要行业的使用。

根据瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 工程学院机械冶金实验室 (LMTM) 负责人Roland Logé教授，关于激光增材制造声学监测的可行性和有效性，一直存在争论。洛桑联邦理工学院的研究不仅证实了声学监测的相关性，而且还强调了声学监测相对于传统方法的优势。

这项研究对于工业部门非常重要，声学监测或将成为一种经济高效的解决方案来监控和提高通过激光束粉末床熔融 (PBF-LB) 制造的产品的质量。

根据3D科学谷《增材制造的过程监测 l 基于激光的金属增材制造过程监控和机器学习》一文，声学监测是依靠声波的传播来提供有关构建质量的信息。声发射的记录和分析是传统工业中用于检测裂纹、腐蚀开始和状态验证的成熟监测技术。声学监测系统可以是被动的，仅检测制造过程本身产生的声波，也可以是主动的，产生声波穿过目标并返回接收器。零件内的孔隙、裂纹或未熔化的粉末等缺陷会改变这些波的传输，从而导致可以在记录的信号中检测到的变化。

超声波传感器是有源传感器的一个例子，多年来一直广泛用于故障分析、疲劳监测和传统制造领域。通过读取表面上产生的声波并检测可能发生的变化来预测缺陷的存在。通过基于 CNN 的算法的输入，鉴定L-PBF选区激光熔融金属3D打印过程中的孔隙率。

然而，这种类型的传感器无法在生产过程中调查构建的熔池区域。此外，大多数L-PB构建室几乎没有可用空间来在构建室内集成这类设备。为了克服这个限制，此前，科研人员建议可以将该传感器集成到现有的L-PB构建室机器光学系统中，这意味着可以使用现有的激光制导设备在层之间进行测量。

 自适应滤波技术

瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队制定的一项实验设计是将操作 X 射线成像实验与声学测量相结合。使用位于构建室内的超灵敏麦克风，精确定位了状态转变期间声学信号的明显变化，从而直接识别制造过程中的缺陷。

信号处理专家Giulio Masinelli引入了自适应滤波技术，这种过滤方法使瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队能够以无与伦比的清晰度辨别缺陷与伴随的声学特征之间的关系。

典型的机器学习算法擅长从统计数据中提取模式，但通常针对特定场景进行定制，与此不同的是，瑞士洛桑联邦理工学院的方法提供了对熔化状态物理的更广泛的见解，同时提供了卓越的在时间和空间维度上的精度。

© 3D科学谷白皮书

洛桑联邦理工学院的这些发现预计将对潜在的工业应用产生重大影响，特别是在航空航天和精密工程领域。据说该研究强调了一致的制造技术的必要性，并提出了早期发现和纠正缺陷的途径，从而提高产品质量。这项研究为更好地理解和完善制造工艺铺平了道路，并最终将带来更高的产品长期可靠性。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

近日，上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队在增材制造复合材料疲劳与缺陷容限评价方面在International Journal of Fatigue期刊发表题为“Fatigue performance of laser powder bed fusion manufactured TiB2 / AlSi10Mg composite: Experimental investigation and fracture mechanics-based life prediction model for defect tolerance analysis (Int. J. Fatigue 2024, 180：108100)”学术论文。

该论文对比分析了激光粉末床熔融增材制造(LPBF)的纳米陶瓷颗粒增强的AlSi10Mg复合材料疲劳性能，根据断后分析结果提出了基于断裂力学的寿命预测方法，并结合CT扫描结果建立增材制造缺陷容限相关评价准则。

论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142112323006011

相比传统材料，增材制造(Additive Manufacturing)材料中的缺陷呈现出数量多、空间分布广、尺寸范围大的特点。现有研究表明即使通过工艺优化及后处理也无法做到完全消除。
快速制造拥有复杂几何特征的结构是增材制造技术的独特优势，但由于缺陷的存在且缺乏相关定量化的疲劳强度评定，一定程度上制约了增材制造技术在承受循环载荷零部件上的工程应用。为此通过断裂力学理论建立缺陷容限的设计评价准则，以回答增材制造过程中的缺陷在特定使用条件下是否可被“容忍”。

图1 论文图文摘要

上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队的研究表明：

(1) PBF增材制造制备的TiB2/AlSi10Mg复材的疲劳性能在R=0.1室温条件下，其疲劳性能明显优于其他LPBF-AlSi10Mg合金以及SiC或WC/AlSi10Mg复材, 与文献报道的LPBF-AlSi10Mg合金相比，TiB2/AlSi10Mg复材的疲劳极限存在约50%的提升。

(2)提出了一种基于断裂力学的寿命预测方法，通过输入缺陷尺寸位置以及外加载荷等信息，可快速预测其疲劳寿命，精度可达。但绝大部分预测结果属于适度保守，具有一定工程意义。

(3)通过将达到疲劳极限的样品进行CT分析，进一步检验了寿命预测模型的准确性。同时结果表面内部缺陷的等效直径即使达到85μm也不引起破坏。而近表面缺陷等效直径仅为18~25μm也已经发生了微小裂纹扩展，但该裂纹并未在达到目标循环数之前引起全局失效，故这类缺陷是可以被“容忍”的。最后针对试样截面及载荷，提出依据空间的寿命分布图。

图2 3D渲染后的#1-F-28(, N cycle)的大缺陷：(a)大缺陷的位置; (b)(c)大缺陷的具体信息

图3 3D渲染后的#1-F-28(, N cycle)的缺陷：(a)(b)(d)(e)亚表面缺陷; (c)亚表面缺陷位置（为提升分辨率采取了局部放大）

来源 l 材料疲劳CFS

论文引用信息：

Yi Shi, Qing Lian, Hua Sun, Chan Wang, Wenwang Wu, Michele Chiumenti, Didi Yang, Zijue Tang, Haowei Wang, Yi Wu, Hongze Wang,Fatigue performance of laser powder bed fusion manufactured TiB2/AlSi10Mg composite: Experimental investigation and fracture mechanics-based life prediction model for defect tolerance analysis,International Journal of Fatigue,Volume 180,2024,108100,ISSN 0142-1123,

https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.108100.

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

激光粉末床金属熔融 (LPBF) 的挑战之一是控制小孔的形成，这是由于金属3D打印加工过程中局部过多的能量输入造成的。为了消除激光粉末床金属熔融LPBF处理过程中的深匙孔型缺陷，3D科学谷观察到瑞士洛桑联邦理工学院等研究机构一起合作在专为操作同步加速器X射线测量而设计的小型化LPBF设备中实施并测试了一种新方法，修复策略包括用正散焦激光束重熔顶部表面，同时保持相对较低的归一化焓值。这允许获得传导模式熔化状态，但足够深以到达先前产生的小孔。

Additive Manufacturing

Available online 16 November 2023, 103880

 小孔的挑战

激光粉床熔融 (LPBF) 是一种增材制造 (AM) 工艺，依靠激光根据三维CAD模型选择性地熔化连续的金属粉末层。 LPBF激光粉床熔融3D打印工艺的优势是能够生产复杂的几何形状，同时最大限度地减少交货时间和材料浪费。 尽管有许多优点，但该过程仍然面临一些限制。 特别是，缺陷的随机形成仍然是一个主要问题，因为它会导致机械性能下降，这阻碍了LPBF 在关键应用中更广泛的工业化采用。

小孔缺陷可能导致零件的机械性能下降，通常在加工后通过非破坏性质量检查程序和孔隙去除处理来检测和去除。而在LPBF金属激光粉末床熔融增材制造工艺过程中监测和控制缺陷的形成可以避免此类耗时且成本高昂的后处理阶段。

© 3D科学谷白皮书

来自瑞士洛桑联邦理工学院等研究机构一起合作开发了一种新方法，使用正散焦激光束和微调的激光重熔工艺参数，对深孔进行原位修复。加工区域的同步辐射图像是在激光重熔过程中获取的。使用操作成像可以实现加工过程中孔隙去除的可视化，并揭示各种重熔条件对愈合效率的影响。研究人员通过高灵敏度光学麦克风记录激光重熔过程中产生的声信号，并与 X射线图像并行分析，从而识别缺陷愈合的声信号，首次证明机载声学传感器可用于监测 LPBF 激光粉末床金属3D打印过程期间锁孔的愈合情况。

光学方法的一个显着局限性是它们不能捕获发生在表面下方、熔池底部或小孔凹陷区底部的现象。作为这些光学技术的补充，声发射 (AE) 分析已被用作一种低成本且稳健的监测技术，提供有关整个材料体积（而不是顶部表面）中发生的激光与材料相互作用的信息。空气中的声音信号是由熔池附近产生的气压和冲击波引起的。换句话说，在这个过程中产生的蒸气或等离子体越多（即通过增加能量输入或从传导到匙孔状态），发射的空气声信号就越强。

此外，LPBF激光粉床熔融增材制造完成后通常会进行热等静压 (HIP)，通过长时间施加高压和高温来减少孔隙率。不过这类后处理检查技术和处理方法昂贵、耗时，并且存在一些局限性。例如，热等静压后暴露于高温时，含气体的孔隙可能会重新生长，从而对最终的机械性能产生负面影响。

根据3D科学谷《NASA长寿命增材制造装配 (LLAMA)项目从故障中吸取的教训》一文，也说明了HIP热等静压不是万能的，在一次失败的测试中，NASA在来自腔室的微拉伸试样中观察到颗粒状表面、未熔化的颗粒和不规则的孔隙，HIP热等静压并没有完全消除这些缺陷。

HIP对于去除开放毛孔的效率也很低，这些凸显了LPBF激光粉床熔融增材制造过程中实现完全致密零件的重要性。为此，选择一组适当的LPBF工艺参数至关重要，这些参数在很大程度上决定了熔池的几何形状、稳定性以及未熔融和匙孔的形成。研究发现，基于归一化焓变的模型可用于预测从传导到匙孔熔化模式的转变，从而最大限度地减少增材制造加工过程中孔隙的形成。

不过，小孔缺陷通常位于表面下方较深的位置，因此重熔池的渗透可能不足以去除此类孔。此外，最重要的是避免在重熔过程中产生新的小孔，其深度与原始空隙的深度相同或更深。为了实现足够的重熔深度以进行愈合，同时确保传导模式以避免形成新缺陷，用于熔化缺陷层的参数不能在重熔周期中重复。

在这种情况下，激光束的散焦可以用作附加的参数自由度和更好地控制熔池尺寸和加工方式的工具。负散焦（即会聚光束）倾向于有利于匙孔模式和相关的孔隙形成，而正散焦（即发散光束）更倾向于诱导稳定的传导状态。通过积极散焦光束并调整激光功率（或扫描速度）以保持适当的标准化焓变，可以生成更大更深的熔池，这为气泡逸出提供了更多机会。

理想情况下，为了提高 LPBF 工艺的可靠性和稳健性，通过微调重熔参数去除缺陷必须与缺陷形成和去除的实时工艺监控相结合。这不仅可以检测锁孔缺陷的发生并确定是否需要进行局部原位愈合，而且还可以确认愈合是否正确完成。

来自瑞士洛桑联邦理工学院等研究机构将零件质量的过程控制（通过激光重熔）与基于机载 AE 的监控相结合。使用高灵敏度光学麦克风记录激光重熔过程中产生的声信号，同时获取加工区域的射线照相图像。同步加速器 X 射线成像是一种强大的无损技术，可用于对过程进行操作观察，从而可视化地下熔池动态并揭示 LPBF 期间发生的潜在物理现象。可以记录熔池和凹陷区的几何变化、缺陷形成和副产品排放（例如飞溅）等特征，而不会干扰过程。在这里，AE 信号与 X 射线射线照相采集的图像并行分析，以识别锁孔去除的声学特征。

第一个目标是开发一种原位修复毛孔的新策略，X 射线成像可以用于研究使用散焦激光束重熔时孔隙消除的机制，并评估关键重熔参数对愈合效率的影响。

第二个目标是展示使用AE监测激光重熔过程中缺陷愈合发生情况的潜力。为此，AE信号与 X 射线图像在时间上对齐并进行分析，以确定用于孔隙修复的潜在声学特征。因此，来自瑞士洛桑联邦理工学院等研究机构的研究有助于提高 AE作为LPBF监控技术的成熟度，而且这次不需要机器学习 (ML) 算法。

 过程监测与过程控制的技术发展

根据3D科学谷的市场观察，市场上对熔池监测采取了各自的监测方式，例如EOSTATE Exposure OT监测系统包含一台高速高分辨率sCMOS相机，它能够以“近红外范围”的波长频道收集打印过程中金属材料熔化产生的信号数据。然后，监测系统的软件程序会分析处理这些被收集的信号，按照一定算法判定某一区域的信号值是否落在设定的“正常范围”之外，并将相应的“异常点”标记出来。监测数据量的增加使得以更高精度识别各种因素对零件质量的影响成为可能。EOSTATE Exposure OT 监测系统可以减少无损检测或有损检测等后期产品质量检测，从而降低产品批量生产的质量检测成本。此外，该监测系统还具有过程监控和记录功能。

根据《案例 l 透过火箭燃料箱增材制造挑战，理解智能控制技术的价值》一文，多年来 ，粉末床激光选区熔融 (L-PBF) 金属增材制造已从关键应用的原型设计发展到批量生产，并不断面临生产更复杂的几何形状、 满足更高的质量要求及产量需求的挑战。

为应对这些挑战，业界不仅需要创新的机器硬件，而且需要改进曝光策略并引入新的软件功能。这其中，使用来自EOSTATE Exposure 光学断层扫描 (OT) 监控系统的图像来确定最佳能量输入，从而管理零部件的热特性，工业级增材制造设备企业EOS的成型控制软件—Smart Fusion闭环智能熔融技术将工艺监测提升到了全新水平。

此外，在过去的十年中，已经报道了各种激光熔化监测技术。一方面，空间集成光学传感器，例如光电二极管和高温，它们的低成本、高灵敏度、稳健性和高数据采集率使它们具有优势。另一方面，空间分辨光学传感器（例如红外和高速相机）可以测量熔池尺寸、形状和温度分布。

根据3D科学谷《光学相干成像技术在激光加工过程实时监测与控制中的应用研究进展》一文，光学相干层析成像(OCT) 技术允许检查零件表面并解读加工参数的影响和理解扫描策略对表面粗糙度的影响，是一种在激光增材制造领域有应用潜力的新型原位检测技术。随着这些过程监测系统对激光金属增材制造的进一步探索，人工智能-机器学习算法很可能被用于辅助样本的分类和预测。

© 3D科学谷白皮书

3D科学谷认为不难看出，在不久的未来，所有的当前市面上的激光粉末床熔融 (L-PBF) 设备都将朝向智能化方向发展，否则因3D打印结果的难以预测和质量稳定性的控制挑战所带来的浪费将使得这一技术困在“半山腰”上，而过程监测与原位修复将是智能化增材制造技术角逐的一大聚焦点。

参考论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860423004931?via%3Dihub

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

在过去，工艺监测主要用于识别成型过程中的中断问题，然后将其与零部件特性相关联。这些数据还可用于改进工艺参数或零部件方向，以便进行零部件成型的下一次迭代。

如今，工业级增材制造设备企业EOS的成型控制软件—Smart Fusion闭环智能熔融技术将工艺监测提升到了全新水平。近日，EOS 在《Smart Fusion实践指南》中揭示了这一技术。

© EOS

 Smart Fusion技术工作原理

Smart Fusion 软件使用来自EOSTATE Exposure 光学断层扫描 (OT) 监控系统的图像来确定最佳能量输入，从而管理零部件的热特性。
Smart Fusion 闭环智能熔融技术可用于生成此前无法成型的几何形状 ，从而明显改善成型能力，且不会对成型时间和材料特性产生任何负面影响。此外 ，Smart Fusion 可以显著减少支撑结构 ，从而缩短成型时间、 后处理时间并减少材料浪费 ，使基于LPBF 工艺的直接金属激光熔融(DMLS) 增材制造技术更具可持续性。

EOSTATE Exposure OT 可⽤于监测零部件每⼀层的热⾏为。然后，控制器会确定维持均匀热分布所需的激光功率校正因⼦。在下⼀层中，会考虑这些校正因⼦，并相应地调整激光功率。这⼀过程将以约100 µm的极⾼光学分辨率逐层重复。因此，获得正确零部件所需的迭代次数将减少到1，并且能够尽可能减少⽀撑结构。

 案例

零部件的一般信息及挑战

EOS Smart Fusion 闭环智能熔融技术实现工艺改进的典型案例之一是在 EOS M 300-4 金属增材制造系统中用Ti6Al4V钛合金生产Launcher火箭燃料箱。

该燃料箱是航天器推进系统的关键组件，用于储存推动航天器进入太空的燃料。为进入太空，需要使用八个燃料箱为轨道卫星运载 工具和平台提供燃料。图1显示了通过EOS 技术增材制造的燃料箱模型以及连接在 EOS M 300-4 成型基板上的成型零部件。

图1. Launcher燃料箱：增材制造模型、 3D打印零部件和带有切割盖的成品零部件。

该零部件的成型主要面临两个挑战：燃料箱盖具有10°- 0° 的悬垂角度，以及需要尽可能少地使用支撑结构来生产该零部件。必须在满足所有功能要求的同时解决这两个挑战 。该燃料箱的直径为290mm，高度为400mm ，需要利用 EOS M 300-4 增材制造系统的全部成型空间。

其壁厚小于3mm，在变形和几何精度方面十分具有挑战性。

图2 显示了该燃料箱的内部截面-无支撑结构的悬垂部分以黄色 （ 10 度） 和红色 （0 度）高亮显示。

图2 Launcher 燃料箱的横截面视图 – 查看盖子的内部。黄色表示燃料箱的 10 度悬垂部分 ，红色表示燃料箱的 0 度闭合部分。

 成型工艺

EOS 的Smart Fusion 闭环智能融合工艺改进了热管理，可在不产生人为延迟的情况下生产燃料箱 ， 并且可以构建无支撑的10°-0 ° 悬垂部分 ， 而标准工艺只能构建30至40度的悬垂部分且在照射期间会产生额外的处理延迟。该燃料箱的支撑结构只是为了将其固定在基板上。

测试结果显示，其表面光洁度均匀，没有开放的表面孔隙且几何形状稳定 ， 如图3所示。

图3. 燃料箱的内壁表面和横截面。

Smart Fusion 闭环智能熔融是全新的增材制造解决方案，可解决工程师和业界所面临的多种挑战。借助该技术，工程师能够构建难以成型的几何形状、减少浪费并提高成品质量。这项新技术将在未来得到进一步发展、为行业带来更大便利，并使工程师能够创造出更加创新和复杂的设计。

→ 构建难以成型的几何形状

借助Smart Fusion，工程师能够设计和制造具有复杂几何设计的零部件 ，例如极端的悬垂结构、 极薄的内壁或圆顶结构 ，从而开辟全新的应用领域。

→ 对成型时间没有负面影响

与其他解决方案不同，Smart Fusion不会影响成型时间。Smart Fusion 不会产生额外的等待或冷却时间。

→ 提高机器利用率

Smart Fusion 减少了对支撑结构的需求，从而提高了机器利用率， 可以更高效地利用资源并降低生产成本。

→ 减少浪费

通过减少对支撑结构的需求，Smart Fusion 还减少了制造过程中产生的废物量，既环保又具有成本效益。

→ 灵活设计

借助 Smart Fusion，工程师可以更加灵活地进行设计。这意味着可以针对更多应用开展生产制造并实现积极的业务案例，同时可以在不改变设计的情况下使更多传 统应用变得更加可行。

→ 缩短产品上市时间

Smart Fusion 包含自动化功能，可帮助工程师更快地找到正确的参数 ， 从而缩短 新产品的上市时间，这对于需要保持竞争力的企业而言至关重要。

→ 降低单件成本

(CPP) 使增材制造对于供应链整合更具吸引力。该技术因此将在制造业中得到更广泛的采用和更广泛的使用。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文