(二)关键技术问题与潜在应用 l 激光粉末床熔融多材料增材制造-金属3D打印工厂

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| 3DScienceValley · 2022/10/03

以下文章来源于江苏激光产业技术创新战略联盟 ,作者激光红

(二)关键技术问题与潜在应用 l 激光粉末床熔融多材料增材制造

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。

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原文链接:https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2028343

(二)关键技术问题与潜在应用 l 激光粉末床熔融多材料增材制造

 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。

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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))。

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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。

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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。

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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。

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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。

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。

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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。

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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。

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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。

l 热力学计算和过程模拟

在多材料LPBF工艺中,了解材料性能的相容性并预测异种材料的行为(界面形态、熔池形状、微观结构演变等),然后快速筛选多材料结构的材料类型和工艺参数至关重要。然而,多材料LPBF中材料性能的相容性和潜在物理行为是与熔体池的热力学和流体动力学、相变、材料热力学等相关的复杂科学问题。此外,高度相容的材料可能具有类似的功能,导致多材料部件的单一功能,这可能无法适应可变的工作环境。目前,界面工艺参数的优化仍然主要是通过大量的试错实验,这可能导致较长的交付周期和较高的成本。

数值模拟是了解多材料LPBF过程中潜在物理行为的有效方法(Yao等人,2021)。理解多材料LPBF中界面微观结构的形成机制至关重要。然而,目前使用相场建模和元胞自动机方法1.进行的微观结构模拟研究主要针对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观尺度上获得多材料LPBF精确模型的另一个障碍。因此,基于微观方法进行的工作有限。

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图23 (a)多轨道、多层和多材料LPBF建模框架,以及(b)多材料结构LPBF物理模型示意图。

Gu等人(2020年)开发了一个综合建模框架,以预测在介观尺度上的多材料LPBF过程中多轨道、多层和多材料结构的熔池发展(图23(a))。在这个框架中,可以在打印之前探索多种材料结构的粉末材料的各种组合,这为多种材料结构设计和优化提供了有价值的见解。Sun、Chueh和Li(2020)开发了一个中尺度计算流体动力学模型,用于模拟单轨多材料LPBF熔池行为。由于不同材料的不同热物理性质(熔点、激光束吸收率、热导率等),在熔融混合的IN718/CuSn10粉末时观察到不均匀的温度分布。随着CuSn10含量的增加,熔池温度降低。除金属/金属多材料结构外,Chen,Gu等人(2019)提出了一种多层有限元模型,以研究TiB2/Ti6Al4的热行为 V多材料结构,随后的实验证明了模型的有效性(图23(b))。

然而,在这些模拟工作中,没有研究不同材料之间界面的三维形态演变。最近,Yao等人(2021)开发了一个多物理模型,该模型将微米级流体动力学与纳秒级热扩散过程相结合,以检查316L和IN718之间界面的三维形貌演变(图24(a))。他们发现,当界面处熔体池的纵横比高于0.25且低于0.55时,可以获得“鱼鳞”形态(图24(b–f))。“鱼鳞”形态有助于在界面处形成机械联锁结构和缠结的弯曲颗粒(图24(f)和(g)),从而提高界面结合强度。

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图24 (a)单道激光扫描的代表性图像,显示了用于不同观察方向的横截面,(b–e)分别来自横截面a-a、b-b、C-C和D-D的熔体池内流动特性的模拟结果。(f)界面的“鱼鳞”形态,以及(g)沿横截面E-E的代表性元素分布图和微观结构。

l 粉末交叉污染和回收

LPBF设备的开发使得能够根据需要打印具有空间分布的不同材料的多材料结构。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决的关键问题。

一方面,LPBF的固有特性(例如,基于粉末床)带来了多材料结构打印过程中不可避免的粉末交叉污染问题。在打印一个粉末层之后,需要清除未熔化区域中的粉末;否则,不同粉末的混合物会导致粉末交叉污染。这种混合物可能会破坏精细材料布局并改变多材料结构的功能,这不利于对其性能的精确控制。因此,清洁系统对于多材料LPBF设备有效去除打印层内未经退火的粉末至关重要。此外,还需要设备的粉末预设能力来实现异种粉末的精确预设。

另一方面,对于多材料LPBF设备,应考虑不同粉末的回收、分离和再利用,以降低材料成本。如果混合粉末的粒度存在显著差异,可通过筛分进行分离;如果混合粉末具有不同的磁性,可以通过磁吸附分离;如果混合粉末的密度不同,则可通过颗粒惯性进行分离。此外,多材料LPBF设备应避免在打印过程中混合原料粉末。

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 潜在应用

LPBF打印多材料零件具有多种功能/性能,在航空航天、核能、海洋和海上的各种应用中,在高温、高负荷和高腐蚀等恶劣环境中工作具有巨大潜力。

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图25 LPBF打印的多材料零件,在4D打印、动力传动系统传输系统和通信设备中具有潜在应用:(a)Ni20Mn6/Ni36的智能多材料结构,(b)混合CuSn10/PA11齿轮,(c)CuSn10/PA11涡轮叶片,(d)CUSN110/PA11手机后壳,以及(e)316L SS/CuSn10/PA11联锁环。

此外,多材料AM甚至在四维(4D)打印领域显示了其优势。例如,通过对不同材料(例如形状记忆合金和非形状记忆合金)的布局设计,可以在加热后获得具有特定形状变化的新型智能材料,如图25(a)所示。多材料结构也可应用于动力传动系传输系统。图25(b)显示了高度为3的打印CuSn10/PA11多材料齿 这证明了多材料LPBF用于制造具有复杂结构的金属/聚合物部件的能力。图25(c)显示了一个打印铜/聚合物涡轮叶片,其中只有叶片的中心由铜制成。铜/聚合物涡轮叶片可以潜在地应用于磁性驱动的动力系统。

在通信设备领域,可以将扬声器、控制模块和辐射/电绝缘体等聚合物组件连接到金属电子设备外壳上。图25(d)显示了LPBF打印的CuSn10/PA11多材料手机后壳,这可以简化手机后壳的生产。图25(e)显示了316 SS/CuSn10/PA11多材料联锁环,由三种不同材料组成。在电子电路领域,直接制造复杂多材料结构的方法可以与其他AM工艺集成,以制造3D复杂电路,从而能够直接打印整个电气设备。此外多材料LPBF可允许在预定义位置使用所需材料构建复杂的3D金属电路和陶瓷封装形状,以提高功能或性能。

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图26 LPBF打印的多材料零件在珠宝和能源领域具有潜在应用:(a)CuSn10/玻璃吊坠,(b)CuCrZr/316L多材料热交换器,和(c)IN718/SS316L多物质热交换器。

图26(a)显示了LPBF打印的金属/玻璃多材料装饰结构,这表明了多材料LPBF在珠宝领域的创新可行性。它不仅可以省略后续镶嵌工艺,还可以直接制造具有不同材料分布的复杂结构。图26(b)显示了由比利时Aerosint SA公司制造的具有复杂弯曲结构的CuCrZr/316L多材料管式热交换器。在热交换器中,铜管充当通道之一,并由316L通道包围。与传统焊接方法相比,多材料换热器的LPBF工艺具有成本效益。

在生物医学领域,多材料结构的LPBF处理允许打印植入物实现精细的多材料布局,以获得人体骨骼所需的各种性能(如生物相容性、刚度、耐磨性、耐腐蚀性)。

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图27 在生物医学领域具有潜在应用的LPBF打印多材料零件:(a)用于LPBF的NiTi/Ti6Al4V多材料髋关节植入物的设计概念,以及(b)具有可控药物递送轮廓的LPBF打印金属/聚合物植入物。

图27(a)显示了打印的NiTi/Ti6Al4 V多材料HIP植入物。这种多材料HIP植入物包括Ti6Al4 V内部区域具有足够的机械强度和刚度,NiTi外部区域具有受控的体积膨胀(形状记忆激活),以促进合适的骨植入物接触并诱导骨向内生长。金属/聚合物混合结构也可用于矫形应用。Chueh、Wei等人(2020年)开发了一种新型LPBF打印金属/聚合物植入物,具有可控的药物输送特性。可以装载抗生素的聚合物是可生物降解的,并嵌入金属植入物中,如图27(b)所示。

在航空航天领域,LPBF工艺可用于制造在极端恶劣环境中工作的多材料零件,通过以经济高效的方式配置柔性材料布局,实现优异的环境适应性。例如,美国国家航空航天局(NASA)开展了一个名为“快速分析和制造推进技术”的项目,该项目的关键目标之一是推进双金属和多金属AM技术。

在该项目中,LPBF已成熟地应用于燃烧室的制造,并与其他增材制造技术(例如,吹塑粉末定向能量沉积,BP-DED)相结合,以制造轻质推力室组件(图28)。这表明多材料LPBF技术可以在腔室和喷嘴之间产生连续的冷却通道,并通过配置适当的材料布局来减轻零件的重量。

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图28 (a)为BP-DED准备的LPBF打印GRCop腔室,(b)耦合制造演示器的BP-EDD工艺,以及(c)完整的耦合BP-DED/LPBF双金属样件。

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 展望

LPBF增材制造工艺可以开发各种多材料类型,以满足工业应用对零件多功能性的日益增长的要求。可以引入机器学习来加速LPBF新的多材料类型的开发。由材料属性(化学成分、熔点、激光吸收率、热导率、比热容等)、打印工艺参数(激光功率、扫描速度、层厚、图案填充空间等)组成的综合数据库,可以建立打印多材料零件的性能(强度、延展性、疲劳寿命、耐磨性、耐腐蚀性等),用于训练机器学习模型。然后,可以使用经过训练的模型预测新的多种材料类型的零件性能。此外,可以通过基于实时监测技术(例如高速X射线成像)的高保真表征方法来监测打印期间的中间时间级热动力学和空间级结构演变。因此,可以理解多材料LPBF中不同材料之间的热行为和结构形成。

多材料界面的设计可以有效地提高界面结合强度。可以在LPBF打印多材料结构的界面处创建连续梯度过渡区和机械联锁结构。需要探索过渡区特性(厚度、成分等)对界面结合强度的影响。机械联锁结构的设计特征,例如尺寸和形状,可以确定异种材料之间界面粘结的力学。

可以探索LPBF工艺的改进,以打印高质量的多材料结构。绿色和蓝色激光的引入可用于有效打印具有高反射率的多种材料(铜、铝)。在多材料打印过程中,可以使用额外的电场、超声波和磁场来搅拌熔池,这可以细化微观结构,减少缺陷,从而促进异种材料的冶金结合。

原位监测可用于确保LPBF过程中的高质量多材料零件。借助高速摄影技术和红外成像相机,可以在打印过程中获得熔池的温度和大小、溅射的大小以及溅射距离和角度。此外,现场高速同步辐射X射线成像可用于研究界面动力学(熔体池几何结构、内部流动模式、孔隙形成/消除等)。最后,获得的熔池、溅射和界面动力学信息可用于机器学习,以建立界面缺陷形成与多材料LPBF中采用的工艺参数之间的关系,从而通过优化工艺参数确保零件质量。

名词释义

1. 元胞自动机(cellular automata,CA) 是一种时间、空间、状态都离散,空间相互作用和时间因果关系为局部的网格动力学模型,具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。

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