宾夕法尼亚州立大学3D打印技术实现单一结构中两种金属精确组合

2025年4月4日，南极熊获悉，宾夕法尼亚州立大学的研究人员通过一种新的3D打印方法，成功制造出传统上只能通过焊接技术实现的复杂金属结构。这一突破性技术采用了多材料激光粉末床熔合技术，将低碳不锈钢和青铜（90%铜、10%锡）混合物打印成单一结构。

△相关研究题目为“多材料激光粉末床熔合：构建方向对缺陷、材料结构和机械性能的影响”（传送门）

该技术的核心创新来自于通过直接数字沉积工艺，利用新购置的Aerosint选择性粉末沉积系统进行精确打印。相关系统于2023年8月加入宾夕法尼亚州立大学创新材料加工中心（CIMP-3D），并与现有的3D Systems ProX320 AM机器相结合，为打印和测试多材料金属部件提供了强大支持。

△研究人员利用多材料激光粉末床熔合技术，打印出了一种低碳不锈钢和青铜的混合物

机械工程博士生Jacklyn Griffis表示：“通过选择性粉末沉积，我们能够将多种金属粉末在增材制造过程中熔化并融合成一体，精度达到微米级。我们是美国首个成功应用此技术的大学。”

CIMP-3D联合主任、机械工程副教授Guha Manogharan表示：“我们现在已经具备了打印多材料金属部件的完整技术流程，并能实时监控和解决制造过程中的潜在问题，这为未来3D打印技术在金属部件生产中的广泛应用奠定了基础。”

△多材料3D打印为金属增材制造提供了更大的设计自由度和材料控制示意图

探索多材料3D打印制造精度与材料性能的优化

在使用单一粉末实现多种金属材料打印的过程中，研究团队面临着一系列关于加工参数与零件质量的复杂挑战。为深入理解这些因素对最终成品性能的影响，研究人员重点分析了零件的构建方向，以了解如果零件是直立、平放或侧面打印，会发生什么变化。

Griffis表示“我们的研究将构建方向与多个结构特征相联系，如裂纹、孔隙、界面微观结构，以及元素在界面处的扩散与混合行为。我们进一步将这些制造缺陷与零件的机械性能进行关联分析，以探索这些缺陷对性能的潜在影响。”

研究中制造的成品为一种复杂的螺旋结构，适用于热交换器、生物医学植入物等高性能应用。之所以选择螺旋几何，是为了展示该新型多材料激光粉末床熔合（MM-LPBF）技术在制造复杂多材料结构方面的独特优势——这是传统单材料打印工艺无法实现的。

CIMP-3D联合主任、机械工程副教授Guha Manogharan指出：“宾夕法尼亚州立大学在金属增材制造领域处于领先地位，如今我们不仅能制造几何复杂的结构，还能精准控制每种材料在部件中的分布位置。为了实现规模化生产，我们必须深入理解材料特性与制造参数之间的相互作用，以识别和解决界面失效等关键问题。”

在未来的研究方向上，团队计划利用过程监控系统进一步提升3D打印工艺的稳定性与可重复性，使这一工艺更适合工业化生产。同时，他们还将探索Inconel合金和铜等更多金属材料组合在多材料LPBF工艺中的应用潜力。