金属3D打印闭孔点阵结构清粉难，换成片材会怎样？

基于粉末床熔融工艺的金属增材制造-3D打印技术，在制造复杂结构方面的能力已获得工业界认可。

晶格点阵结构便是典型代表，它们能在大幅减重的同时保持优异的力学性能，因而备受航空航天、医疗植入物等领域的青睐。不过其增材制造过程仍存在需要克服的挑战。以闭孔晶格点阵结构举例来说，由于它们带有密闭的内部空腔，金属粉末材料会不可避免地滞留在空腔内部，难以被取出，从而引发产品质量问题。

“ 3D科学谷白皮书 解析

那么，到底是在目前的技术路径上，通过优化排粉通道设计或者是后处理工艺来死磕清粉这件事，还是另辟蹊径直接避开这个问题呢？根据3D科学谷的市场观察，南洋理工大学Lai Chang Quan助理教授团队选择了后者，他们跳出目前粉末床熔融工艺的框架，改用金属片材来增材制造闭孔晶格结构。

LAPIS混合增材制造

南洋理工大学团队开创的技术名为LAPIS，全称是"激光脉冲片材集成short for Laser Pulse Integration of Sheets"。研究团队基于改技术开发了一套混合式金属增材制造设备。

▲基于LAPIS片材增材制造工艺的生产方法 ©NTU

这一技术的思路起源于2021年。原理虽然简单直接，但意义颇为深远，那就是用金属片材取代传统3D打印中使用的金属粉末。这一材料上的转变，有望解决金属增材制造中长期存在的一些局限。

LAPIS混合式金属增材制造的原理是使用经过图案化的金属片材作为原料。片材可以精确定位，在不同批次之间保持行为一致。此外，片材不存在与细金属颗粒相关的操作风险。

▲小尺寸点阵打印均匀性试验取得成功。©NTU

早期实验得出了超出研究团队预期的结果。使用这种基于片材的方法制造的不锈钢零件，其强度比传统方法生产的零件高出了1.5倍。

相比粉末体系，LAPIS还有一项额外优势。在基于粉末的金属3D打印中，用于细小的钛颗粒在开放空气中可燃，钛合金必须在惰性气体密封环境内加工。这就增加了设备的成本、复杂性和运营开销。而LAPIS可以在开放的空气环境中完成钛合金增材制造，无需粉末体系所需的全密封惰性气体加工环境。这种方式既消除了安全隐患，也消除了相关的成本障碍。

应对一致性挑战

零件的质量一致性是金属增材制造走向批量生产应用必须跨过的门槛。LAPIS恰好回应了这一挑战。在金属粉末增材制造体系中，粒径分布、流动性和纯净度都会影响材料在3D打印过程中的响应，这为批量生产的一致性带来挑战。而LAPIS技术使用的金属片材原料性能相对稳定，工艺具有更高的可重复性，不同生产批次的零件一致性挑战也随之降低。这将为工程师、研究人员、医疗等用户群体带来易于上手的增材制造技术。

▲粉末床钛合金3D打印点阵结构在不同位置发生随机断裂。©NTU

如今，LAPIS团队已组建起来，团队成员将共同将这项技术从实验室拓展为企业级的业务。团队的目标是让技术从"为实验室发表的下一篇论文造出几个样品"，转变为真正能满足制造市场需求的技术。

▲LAPIS打印所用材料的演进历程，以及加入“深海立方体”项目的团队。©NTU

3D科学谷了解到，该团队获得了南洋理工大学NTUitive的资助，渡过了概念验证和价值验证的初创阶段。

目前，LAPIS技术已有多个应用端合作伙伴，包括：生物医学领域的陈笃生医院和新加坡国家牙科中心，学术机构的慕尼黑工业大学和都柏林理工大学，制造业的英飞凌和富士康，3D打印服务领域的Zeda，精密制造领域的GCTG以及软件巨头欧特克。这些合作从侧面反映了该技术的应用广度及潜力。

深入探索应用

项目团队将LAPIS下一阶段的工作重点是加深对技术背后科学机制的理解，并拓展应用场景。

▲基于 LAPIS 工艺的不锈钢增材制造。©NTU

他们正在开发面向换热器、患者特异性生物医疗植入物、半导体零件、消费产品和航空航天部件的增材制造应用。该团队还促成了一些跨学科项目，展示了技术的多功能性。其中一个成果是通过该技术为一项深海艺术与环境传感项目制造了一种在7000米深海使用的金属结构件。

近日，LAPIS技术获得了TCT Awards大奖。商用设备预计将在2026年底与市场见面。

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投稿 丨daisylinzhu 微信

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