多激光金属3D打印不为快？专攻控形控性，还能定制隐秘图案！

金属3D打印采用多激光，是因打印尺寸的增加和对打印效率的追求。但知名高校鲁汶大学，却变换了多激光的使用方法，成功在材料中获得了特定组织，还在材料内部制作出了特定图案。

这让笔者想起了西空智造的锻打印技术，该技术首先采用1064nm波长的红外激光成形零件，同步使用脉冲激光锻打特定部位。

鲁汶大学与之类似的是都采用双激光，但机理完全不同。这两项进展都为如何使用多激光进行3D打印拓宽了思路。

➡️ 金属3D打印已解决和未解决的问题

如今，3D打印能够实现更高设计自由度的优势已经被广泛认可，此前那些包含内部通道、复杂拓扑结构甚至晶格特征的产品正在大量用于航空航天、汽车和医疗等行业。

虽然对3D打印零件安全性的顾虑已经很少，但研究界并未停止对一个目标的追求——控形控性。但是，这个词在工程实践中被提到的次数已经越来越少。这或是因为将控性的研究转化为实际制造的效果，并不尽如人意。

材料的微观结构决定了零件的性能，如强度、延展性、疲劳寿命和耐腐蚀性。

在激光粉末床熔融（LPBF）工艺中，这些特性很大程度上取决于材料在打印过程中的热历史。

控形控性的的目标就是希望能够不依靠热处理，就能直接获得所需要的微观结构。

一个典型的应用场景是，石油、天然气、化工和海洋领域需要材料同时满足强度和耐腐蚀性，超级双相不锈钢因为材料中的铁素体和奥氏体比例大致相等，成为这些应用中的高价值金属。

但LPBF金属3D打印工艺固有的高冷却速率，几乎完全抑制了奥氏体的形成。其结果是，成型后的零件主要由铁素体组成，强度高但脆性大，耐腐蚀性能也受到影响。

打印后进行炉内热处理一直是获得理想微观结构的唯一可行方法，但这会增加成本、时间，并增加变形风险。更重要的是，这种方法会导致整个零件的微观结构均匀，而工程师真正需要的是能够局部改变零件的性能。

➡️ 利用双激光解决成分组成问题

目前，常规的手段包括调整打印参数、扫描策略、添加辅助能量场、材料设计和过程控制等。

很多研究机构和高校实验室已经取得了不错的研究成果，但在工程实践中仍然处于探索阶段。

这是因为这些方法都存在同样的局限性：空间分辨率有限、材料间的通用性差，而且几乎没有证据表明它们能够扩展到工业相关的零件尺寸或打印速度。

超级双相不锈钢的微观结构对热历史极其敏感，且对性能至关重要，因此其耐高温性能尤为突出。这种最需要原位微观结构控制的材料，其微观结构控制难度也最大。

鲁汶大学解决该问题的思路与以往研究完全不同。他们采用搭载双激光器的3D打印机，一束激光用于熔化成形零件，一束作为“尾随热源”对刚刚熔凝的区域进行精确加热到指定温度范围，然后再使其进一步冷却。

对于超级双相不锈钢，奥氏体可以在800–1200°C的范围内从初生铁素体组织中形核并生长。只要材料在该温度范围内停留足够长的时间，就能发生原位相变，打印完成后就无需再进行热处理。

该过程的原理很清晰，但实际操作起来就困难重重。例如，尾随热源如何通过激光参数调控，精确控制热量输入，热量穿透到下一层是否造成影响；商用打印机并不支持此类定制开发，又该如何解决？随打印高度增加，热积累也会增加，输入的能量如何实时调整？这种处理方式所带来的新生奥氏体经理通常在1μm甚至更小，该如何表征？

来自Materialise

总之，思路有效但做起来很困难。鲁汶大学并非解决了所有问题但进行了大量尝试。

研究人员采用模拟的方法获得了哪些参数能够将材料温度达到所需要的范围，并进行了实验验证。对于软件权限问题，研究基于Materialise Control Platform (MCP) 和 Build Processor SDK (BP-SDK)，实现了对激光的高级别控制，如针对每个单独的扫描路径，指定哪个激光器发射、功率是多少、发射时间是多少，以及它与旁边光束的关系等。

单激光和双激光单轨扫描实验的示意图及所分析的截面

结果表明，通过调整尾随热源激光的功率和偏移量，该团队将奥氏体含量从高速单激光条件下的0% ，调整到了48%。这种过程控制水平，以前从未在超级双相不锈钢上得到验证。

此外，他们还发现利用该技术可以在零件内部嵌入特定图案，只有零件被切开时才能看到，这证明了打印过程可以实现相位控制。

在材料内部获得的图案

➡️ 对金属3D打印应用的真实影响

单从微观组织这一个目标来说，鲁汶大学取得了关键成果。但研究同时指出了一个关键问题——制造效率与材料的差异性。

为了获得需要的奥氏体，他们不得不将打印速度调到极低。例如，正常的速度为750mm/s，但实际打印的速度为15mm/s，差了20倍。

这就导致制造效率极慢和成本升高，对于工业应用来说就适用性不足。因此，该团队未来的研究将侧重于仅对真正需要的改性的位置适用特定该工艺。

此外，这种方法对材料的实际相组成特性直接相关。双相不锈钢的打印态几乎全部是铁素体，晶界处有氮化物析出，恰好能成为奥氏体的形核位点。如果换一种材料，可能根本不存在这种明确的相变窗口，导致方法无法拓展到其他材料。

但无论如何，这项研究仍然证明了原理可行，真正困难的是如何从研究转化为工程实践。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。