高速铺粉3D打印实现成形效率与性能的同时提升，新加坡国立大学&华中科技大学合作研究

2022年4月，南极熊获悉，新加坡国立大学-华中科技大学合作在金属领域期刊《Acta Materialia》发表了“Is high-speed powder spreading really unfavourable for the part quality of laser powder bed fusion additive manufacturing?”研究成果，高速铺粉3D打印实现成形效率与性能的同时提升。
激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）是目前主流的金属3D打印技术之一，能直接制造复杂精细的高性能金属零件，如打印的高温合金航空燃油喷嘴、钛合金多孔骨骼植入物、内置随形冷却水道的模具镶件已获实际应用。但比较传统制造工艺，LPBF技术利用高能束激光（光斑50-100微米）逐点逐线熔融微细金属粉末，成形效率相对较低，仅适用于单件和小批量零件制造。因此，如何有效地提高其制造效率是当前研究的一大热点。

粉末铺设是LPBF中的重要环节，在层层叠加的循环制造过程中耗费了大量时间。根据传统认知，提高铺粉速度可压缩成形时间，但会严重降低粉末床铺粉的初装密度和均匀性，进而影响激光熔化效果和打印零件的性能。针对此问题，新加坡国立大学闫文韬教授团队与魏青松教授团队合作，研究高速铺粉对粉末床堆积质量以及最终打印零件性能的影响规律，发现在适当条件下实施高速铺粉可以实现打印效率和零件性能的同时提升，研究论文“Is high-speed powder spreading really unfavourable for the part quality of laser powder bed fusion additive manufacturing?”发表在金属领域期刊《Acta Materialia》上，魏青松教授和闫文韬教授为共同通讯作者，陈辉博士后和程坦博士生为共同第一作者。

重要发现与结论总结如下：
（1）粉末铺设速度增大时，初始1~10层粉末床的堆积致密度会降低，使得熔融沉积的层厚减小，不利于零件成形（图1）。然而，由于粉床在激光熔融下产生体积收缩，这种收缩效应会使下一层实际的铺粉层厚逐渐增大，导致相应的粉末床堆积密度也会增大，从而补偿下一层沉积层的高度（即：补偿效应）。在收缩效应与补偿效应的综合作用下，即使铺粉速度增大，打印过程也将在约10层以后趋于稳定并达到相似的熔化条件和质量（图2）。因此，高速铺粉在初始数层不利于零件成形，但是在后续的逐层打印中，由于收缩和补偿效应，零件仍然可以顺利成形。该规律在不锈钢、模具钢、镍基合金等金属粉末成形中被验证，具有普遍意义。

图1 高速铺粉初始层加工：（a）粉末床堆积形态；（b）粉末床熔融形态。

图2 高速铺粉多层加工：（a）多层阶梯成形；（b）实际铺粉厚度随层数变化；（c）实际粉床熔融厚度随层数变化。

（2）高速铺粉缩短了层与层间打印的冷却时间，使得下层打印的初始温度提高，这能在一定程度上减少潜在的未熔孔隙，并降低零件内的温度梯度进而减小残余应力，最终使得零件的疲劳性能得到提升。

图3高速铺粉与成形性能的关系：（a）晶粒组织；（b）相含量；（c）拉伸；（d）疲劳性能。

该研究突破了长期以来“高速铺粉不利于零件成形”经验性认知局限。研究有望为实际工程应用中提升LPBF制造效率提供科学依据和可行的技术参考。
该研究由华中科技大学和新加坡国立大学合作完成，该研究得到新加坡国家科学基金 (MOE-T2EP50120-0012)、中国国家自然科学基金（51775207, 51705170）和华中科技大学学术前沿青年团队国家重点研发计划（2017YFB1103900）等项目资助。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117901