华南理工杨永强教授顶刊丨激光增材制造技术进展与前沿_ACT_Mechanical_Additive_Deform_航空_航天_增材_JMatPro_材料_控制

华南理工杨永强教授顶刊丨激光增材制造技术进展与前沿

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增材制造（快速成形）技术已在我国发展 30 余年，为向全球学者介绍中国的研究成果，在Additive Manufacturing Frontiers (AMF) 执行主编李涤尘教授的带领下，组织策划了“中国增材制造 30 年发展”特刊 (Special Issue on 30 Years of Development of Additive Manufacturing in China)，通过十余个国内增材制造领域的代表性团队的高质量论文，向大家介绍过去 30年来我国增材制造技术的发展历程、主要研究成果以及未来发展趋势。

激光增材制造是目前的主流金属增材制造技术之一，主要包括激光选区熔化和激光定向能量沉积技术。由于激光束光斑尺寸小、能量密度高及热影响区小，该技术能保证高致密、高性能精细复杂零件成形，在航空航天、工业模具和生物医疗等领域得到了广泛的应用。

目前，激光增材制造技术仍存在以下突出问题：（1）激光选区熔化装备成形尺寸仍然受到限制；（2）三维异质材料成形控制精度低、技术不成熟；（3）激光增材制造零件表面精度仍需进一步提高；（4）单一激光能量场的增材制造零件存在应力大、缺陷不易消除、组织不均匀等问题；（5）成形性能一致性、过程稳定性、以及工艺可重复性亟待提高。

本文提供了激光增材制造技术在未来的潜在发展方向：

（1）由单一激光器向多波长（红光与蓝光、绿光相结合）/类型（连续激光与皮秒、飞秒激光相结合）/数量激光器发展，实现大尺寸、高效率、高精度增材制造；

（2）由低效率、低连接质量多材料增材制造向高效率、高强度多材料增材制造发展，通过改进现有铺粉方式、设计界面连接结构等手段，实现高效率、高强度且粉末不易交叉污染的多材料增材制造；

（3）由在线监测向在线监控发展，建立声、光、热、磁等在线监测信号与打印质量的有效评价体系，为在线监控的实现提供关键判据；

（4）开发定制化软件解决方案，解决上述及其余复杂工艺成形中路径规划等问题。

Fig. 1. Overview of the frontier progress in LAM techniques developed by our research group

Fig. 2. Schematic of the large-scale LPBF technique

Fig. 3. Schematic of the blade-based multi-material LPBF technique

Fig. 4. LDED-based additive/subtractive hybrid manufacturing techniques

Fig. 5. Schematic of off-coaxial monitoring for LPBF process

论文引用: Yongqiang Yang, Renwu Jiang, Changjun Han, Jiaqi Chen, Haoran Li, Yan Wang, Jinrong Tang, Heng Zhou, Weinan Hu, Boyuan Zheng, Zixin Liu, Changhui Song, Di Wang. Frontiers in Laser Additive Manufacturing Technology. Additive Manufacturing Frontiers, 2024, 200160.

原文链接: https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200160

近年团队发表文章

[1] Xiao Yunmian, Yang Yongqiang, Wang Di, et al. In-situ synthesis of spatial heterostructure Ti composites by laser powder bed fusion to overcome the strength and plasticity trade-off, International Journal of Machine Tools and Manufacture 2024; 196, 104117, ISSN 0890-6955.

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104117

[2] Zheng Boyuan, Trofimov Vyacheslav, Wang Di, et al. Study on additive and subtractive manufacturing of high-quality surface parts enabled by picosecond laser. Journal of Materials Processing Technology 2023; 318: 118013.

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118013

[3] Dong Zhi, Han Changjun, et al. Role of heterogenous microstructure and deformation behavior in achieving superior strength-ductility synergy in pure zinc fabricated via laser powder bed fusion. International Journal of Extremely Manufacturing 2024; 6: 045003.

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad3929.

[4] Wang Di, Liu Linqing, Han Changjun, et al. Recent progress on additive manufacturing of multi-material structures with laser powder bed fusion. Virtual and Physical Prototying 2022; 17(2): 329-65.

https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2028343

[5] 王迪, 邓国威, 杨永强, 等. 金属异质材料增材制造研究进展[J]. 机械工程学报, 2021, 57(01): 186-198.

[6] Wu Shibiao, Yang Yongqiang, et al. Study on powder particle behavior in powder spreading with discrete element method and its critical implications for binder jetting additive manufacturing processes. Virtual and Physical Prototyping 2023; 18(1): e2158877.

https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2158877

[7] Xiao Yunmian, Song Changhui, et al. In-situ additive manufacturing of high strength yet ductility titanium composites with gradient layered structure using N2. International Journal of Extreme Manufacturing 2024; 6(3).

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad2602.

[8] Dong Zhi, Han Changjun et al. Revealing anisotropic mechanisms in mechanical and degradation properties of zinc fabricated by laser powder bed fusion additive manufacturing. Journal of Materials Science & Technology 2024.

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.045.

[9] Song Changhui, et al. Radial gradient design enabling additively manufactured low-modulus gyroid tantalum structures. International Journal of Mechanical Sciences 2023; 108710.

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108710

[10] 杨永强, 蒋仁武, 刘子欣, 等. 大尺寸粉末床激光熔融流场分析及在线监控研究进展[J].机械工程学报, 2023, 59(19): 389-410.

来源：增材制造硕博联盟

伦敦大学顶刊丨Al-Fe-Zr合金激光粉末床熔融过程中飞溅与蒸汽抑制的动力学机理

点击关注·聚焦3D打印技术👆 激光粉末床熔融（LPBF）技术，作为一种先进的增材制造（AM）技术，以其卓越的设计灵活性、极短的生产周期以及无需模具投入即可直接制造近净形金属部件而备受推崇。尽管如此，LPBF技术在安全关键领域中的应用面临着需确保零缺陷、高密度金属结构制造的难题。减少表面缺陷或降低粗糙度，可进一步提升LPBF制品的疲劳耐久性。这些表面缺陷通常与LPBF过程中产生的飞溅现象密切相关，因此，深入解析其演变机制，对预防表面缺陷至关重要。在LPBF过程中，过大的飞溅物不仅会在零件表面留下痕迹，增加缺陷和粗糙度，还可能滞留在后续构建层的粉末床上，诱发缺乏融合的孔洞。而轻微飞溅对最终产品性能的潜在影响尚存诸多未知。尽管已有大量文献采用原位高速相机或纹影成像技术捕捉粉末表面的飞溅与蒸汽羽流，但LPBF期间蒸汽凹陷（或称匙孔）形态变化的细节描述上仍显不足。同步辐射X射线源因其卓越的时间分辨率（高达1MHz），成为了记录LPBF过程中飞溅与熔池动态的理想工具。结合同步辐射X射线源与纹影成像，证实蒸汽喷射角度与凹陷区/匙孔形态之间存在紧密关联，但匙孔形态对飞溅形成的具体影响尚不明晰。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！因此，伦敦大学学院的Chu Lun Alex Leung教授团队利用同步辐射X射线源技术揭示并阐述了Al-Fe-Zr铝合金在LPBF工艺中蒸汽凹陷形状与飞溅动力学之间的内在联系。在贴近实际工业的加工环境下，研究团队量化了飞溅颗粒的数量、飞行轨迹、速度及动能，将其作为蒸汽抑制区/匙孔形态的函数。研究指出，凹陷区/匙孔的特定形态影响着飞溅的喷射角度：在传导模式下，准半球状的凹陷促使由蒸汽压力推动的羽流向后方散射飞溅；而匙孔后侧壁则重新组织气体/蒸汽流动路径，导致垂直飞溅喷发及边缘熔滴飞溅。此外，研究还发现了一种飞溅诱导的空腔机制，即在激光与细小飞溅粒子相互作用后，粒子被加速撞击粉末床，诱导粉末剥蚀并形成打印表面的空腔结构。通过对这些激光-飞溅相互作用的量化分析，该团队提出了一种创新打印策略，旨在有效降低缺陷率以显著提升LPBF部件的表面品质。图1. AA8A61.50 在LPBF过程中固体飞溅、粉末团聚和液滴的识别及飞溅行为示意图。图2. LPBF过程中固体飞溅/液滴动力学的量化分析示意图。图3. 固体飞溅/液滴运动与锁孔/凹陷区形貌间的关系示意图，其中（a）和（b）表示激光功率增加的效果（c）和（d）为激光扫描速率降低的效果。图4. 激光飞溅相互作用及其对激光扫描轨迹表面影响示意图。相关研究成果以题为 “Correlative spatter and vapour depression dynamics during laser powder bed fusion of an Al-Fe-Zr alloy” 的论文发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》上。关注我们, 万物皆可3D打印 AM-union专栏 ‍☆增材应用‍☆增材模拟‍☆研究进展☆航空航天来源：增材制造硕博联盟