激光粉末床熔融
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
激光粉末床熔融的實例教程
南極熊導(dǎo)讀：半個多世紀以來，關(guān)于激光和電子束這兩種能量束中究竟哪一種更適合成為精密焊接金屬的可行技術(shù)，學(xué)術(shù)界一直爭論不下。其中電子束能產(chǎn)生更深的焊接穿透力，但需要真空來防止光束散射，這意味著昂貴的真空室限制了應(yīng)用的規(guī)模。激光的焊縫穿透力較小，不需要真空，也不受真空室的限制，但容易受到氣體污染的影響。所以，它們都有各自的價值主張和應(yīng)用，。
時間倒退到80年代末和90年代初，美國、德國和瑞典的研究人員開始電子束和激光將腔體內(nèi)的金屬粉末床焊接成復(fù)雜的三維形狀。增材制造（AM）的激光粉末床熔融（LPBF）和電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術(shù)由此誕生。LPBF由SLM Solutions和EOS在90年代中期實現(xiàn)商業(yè)化，而EB-PBF則由Arcam AB在1997年實現(xiàn)商業(yè)化。
△EOS的AMCM M 290-2 1kW 激光粉末床融合系統(tǒng)能夠以精細的幾何精度 3D 打印銅部件
將電子束和激光粉末床熔融技術(shù)作為競爭技術(shù)進行比較可能是不公平的，但25年后，由于各種原因，EB-PBF在整個金屬增材制造市場的應(yīng)用方面仍然遠遠落后于LPBF，這已經(jīng)不是行業(yè)秘密。
激光與電子束增材技術(shù)的發(fā)展趨勢
下圖展示了不同機器原始設(shè)備制造廠家的EB-PBF技術(shù)在不同時間段的發(fā)展歷程，該圖揭示了兩個有說服力的觀察結(jié)果：
1. 近 20 年來，Arcam 主推LPBF增材制造技術(shù)應(yīng)用，并與其他使用LPBF技術(shù)的制造商展開競爭。
2. GE 于 2016 年收購 了Arcam公司 ，進軍增材制造市場，隨后至少有六家新公司同樣進入了這一行業(yè)。
△EB-PBF機器OEM廠商的演變。圖片來源：巴恩斯全球顧問公司
讓我們試著將其進一步分解。
展開 根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，Betatype 此前與航空航天、汽車等多個制造領(lǐng)域的企業(yè)用戶共同開發(fā)了一些工業(yè)應(yīng)用案例，他們利用粉末床激光熔融設(shè)備制造功能集成、點陣輕量化等尤其適合通過3D打印技術(shù)進行制造的結(jié)構(gòu)。
圖片來源：Betatype
比如說在航空航天領(lǐng)域，賽峰曾開發(fā)了3D打印電機外殼，電機外殼的設(shè)計得到優(yōu)化，具有更高的強度和更高的剛度。賽峰這款3D打印發(fā)電機外殼，從過去由幾個復(fù)雜加工零件組成的部件轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€功能集成的部件，因此整體零件數(shù)量和制造時間得以減少。3D打印電機外殼設(shè)計時應(yīng)用了Betatype的Engine-Platform軟件，將激光掃描路徑和曝光設(shè)置控制到夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計的每個元素。
汽車零部件制造企業(yè)與Betatype 探索通過粉末床熔融技術(shù)進行汽車LED 大燈散熱器量產(chǎn)的可行性。這款3D打印散熱器的采用了功能集成化設(shè)計，并設(shè)計了內(nèi)置支撐功能，完成后的打印件通過手工的方式即可從基板中分離。Betatype 通過智能化的設(shè)計技術(shù)減少熱應(yīng)力，將熱變形最小化，在一次打印中同時生產(chǎn)的多個散熱器以堆疊的方式進行擺放，從而實現(xiàn)生產(chǎn)量的最大化。
圖片來源：Betatype
Betatype 還針對粉末床激光熔融技術(shù)開發(fā)了激光路徑生成技術(shù)，以降低模型的復(fù)雜性并簡化設(shè)計過程。以薄壁結(jié)構(gòu)這種復(fù)雜的設(shè)計特征為例， Betatype利用其技術(shù)可以更經(jīng)濟快速的制造復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)。上圖為Betatype在雷尼紹 AM250設(shè)備中制造的復(fù)合氣體歧管，該零件具有250um 的壁厚，打印材料為5級鈦合金。
展開 圖1 增材制造工藝鏈
圖 1 展示了排氣管部件的增材制造工藝鏈，采用激光束粉末床熔融技術(shù)進行加工，其中在Simufact Additive中仿真模擬了由增材制造打印任務(wù)、熱處理、基板切割支撐移除、熱等靜壓這幾個關(guān)鍵階段。
圖2：保時捷 GT2 RS 運動跑車排氣管部件設(shè)計變更，打印和后處理
圖 2 顯示了在Simufact Additive中采用鈦合金 Ti-Al6-4V 材料進行打印過程仿真的結(jié)果。仿真計算過程中，結(jié)果可實時查看。
圖 3：Simufact Additive 仿真結(jié)果（左）打印件掃描結(jié)果（右）
對于復(fù)雜的自由曲面，采用光學(xué)3D掃描，例如：測量設(shè)備以及計算機斷層掃描（CT）可以精確的測量打印件的幾何。在本次研究中，CT 圖像結(jié)果被用于評估仿真工具的可靠性，例如變形情況預(yù)測和變形補償。從打印結(jié)果可以看出整體精度主要受到粉末床熔融過程中殘余應(yīng)力（材料以每秒上千度的速度冷卻時產(chǎn)生的）導(dǎo)致的變形和部件收縮的影響。
圖4：在Simufact Additive里直接進行收縮線探測（左：打印件 右：仿真結(jié)果）
激光束粉末床熔融工藝仿真采用 Simufact Additive 軟件，通過固有應(yīng)變方法完成求解。CAD 模型采用體素單元進行離散化，結(jié)合部件的壁厚，設(shè)置體素單元尺寸為 2mm。仿真結(jié)果包括應(yīng)力分布和變形的預(yù)測以及最終形狀的輸出。圖 3 對比了仿真結(jié)果與CT測量結(jié)果。可以看到仿真結(jié)果與實物測量結(jié)果吻合的較好，表面偏置情況和變形量與實際完全符合。通過 Simufact Additive 進一步預(yù)測了成形缺陷“收縮線”。這些收縮線發(fā)生在匯聚部位的層與層之間，在凝固過程中留在表面上，外觀可見。
展開 激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）作為3D打印技術(shù)中的一種，在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面具有獨特的優(yōu)勢，這就使得PEEK及其復(fù)合材料的3D打印具有較大的吸引力。
然而，目前PEEK及其復(fù)合材料的SLS制件強度均低于其注塑件，從而大大限制了PEEK及其復(fù)合材料的3D打印制件的應(yīng)用范圍；同時，較高的加工溫度（＞300℃）對設(shè)備提出了更大的挑戰(zhàn)，目前可用于PEEK材料SLS成形的設(shè)備較少，商業(yè)化的設(shè)備僅有EOSP800、EOSP810等，但是其價格昂貴，系統(tǒng)封閉，這就為PEEK的SLS工藝研究及復(fù)合材料的配方研究產(chǎn)生了很大的限制。
圖1. PEEK和CF / PEEK復(fù)合材料的零剪切粘度與溫度的關(guān)系該文章采用SLS制備高強度碳纖維（CF）增強PEEK復(fù)合材料，基于高溫流變行為對CF / PEEK復(fù)合材料的燒結(jié)機理進行了深入研究。通過將模擬溫度分布與粘度-溫度關(guān)系相結(jié)合來定義新的有效熔化區(qū)域，并用于預(yù)測工藝規(guī)劃。
圖2. 由PEEK和CF / PEEK（a-e）計算的有效熔化區(qū)域和PEEK（f）的熱重曲線根據(jù)計算結(jié)果，對CF/PEEK開展了SLS工藝實驗，結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為18.5W、掃描速度3000mm/s、掃描間距0.12mm，分層厚度為0.1mm時，10%碳纖維含量的復(fù)合材料的拉伸強度達到109±1 MPa、拉伸模量為7365±468 MPa；5%碳纖維含量的復(fù)合材料的彎曲強度達到183±4 MPa，均遠高于PEEK的注塑件。從而證明了基于零切粘度的有效熔融區(qū)域的計算可作為SLS熱模型的補充，用于高熔體黏度的聚合物及其復(fù)合材料的SLS工藝預(yù)測，同時，高強度高模量CF/PEEK的SLS制件也為航空航天領(lǐng)域制件的拓撲優(yōu)化、快速制造等提供了可能。
圖3.
展開 Speed School of Engineering, University of Louisville, Louisville, KY 40292, USA
這篇論文是關(guān)于激光粉床熔融增材制造過程中，殘余熱量對熔池邊界和表面形態(tài)的影響的研究。研究結(jié)果表明，殘余熱量對熔池的生命周期和微觀結(jié)構(gòu)形成有顯著影響。在多層加工時，第一層表面形態(tài)對第二層的實際粉層厚度有影響，進而影響第二層的形成。除此之外，掃描長度對表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)也有顯著影響。因此，需要根據(jù)掃描區(qū)域進行參數(shù)定制以減少零件質(zhì)量問題。
以下分為實驗和數(shù)值模擬兩個部分進行說明。
一、實驗
激光加工參數(shù)：
操作流程：
實驗樣品：
二、數(shù)值模擬
粉床制作流程：
第一層DEM模擬：使用80μm的層厚，模擬第一層的粉末擴散過程。
將完成后的第一層粉床圖檔導(dǎo)入至FLOW-3D進行激光加工仿真。模擬完成后，利用所形成的表面進行第二層DEM模擬。
第二層DEM模擬：將第一層粉床降低80μm（第一層層厚）。由于第一層仿真已考慮了收縮，因此第二層層厚減少到40μm。這種方法可以探討第一層固有表面粗糙度對第二層粉末分布和層厚的影響。模擬結(jié)束后，可以看到第一層和第二層之間的間隙情況。
仿真設(shè)定及材料規(guī)格：
研究流程：
使用白光干涉儀獲得多道和多層樣品的表面形貌。
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激光粉末床熔融的最新內(nèi)容
FLOW-3D AM 軟件基于離散元方法（DEM）和計算流體動力學(xué)（CFD）為各種增材制造過程提供建模平臺，包括激光粉末床熔融（LPBF）、定向能量沉積（DED）、黏結(jié)劑噴射（BJ）以及金屬熔融沉積建模（FDM）等。
FLOW-3D AM 的自由液面跟蹤算法和多物理場建模功能可高精度模擬鋪粉、熔池動力學(xué)、孔隙形成、滲透和擴散，分析和優(yōu)化工藝參數(shù)。
Residual Heat Effect on the Melt Pool Geometry during the Laser Powder Bed Fusion Process
Subin Shrestha * and Kevin Chou
J.B. Speed School of Engineering, University of Louisville, Louisville
其中激光束進行金屬粉末床熔融的工藝應(yīng)用最為廣泛，由該工藝制造的零部件普遍兼具高設(shè)計自由度、高靈活性、優(yōu)異機械性能等特點。對于汽車行業(yè)，由于行業(yè)本身對成本、質(zhì)量及交付時間的嚴格要求，激光束粉末床熔融技術(shù)的應(yīng)用面臨著更高的挑戰(zhàn)，所以目前應(yīng)用目標主要集中在高價、小批量生產(chǎn)的車輛或運動型跑車。
Mohamad Bayat, et al. Keyhole-induced porosities in Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) of Ti6Al4V: High-fidelity modelling and experimental validation.
在本研究中，在一個10.4×10.4×4.5大小的粉床上制作多道直線激光加工實驗
△激光粉末床熔融技術(shù)制備的“Mg”形狀的點陣結(jié)構(gòu)(由鎂合金WE43制成)
3D打印技術(shù)已廣泛用于制造不銹鋼、鈦合金、鋁合金等復(fù)雜樣件，并成功用于發(fā)動機機匣，散熱管道，減重結(jié)構(gòu)件等。近年來，隨著對鎂合金在加工過程中易燃性的了解不斷增加，針對鎂合金的增材制造相關(guān)研究也逐步展開，以期突破傳統(tǒng)鎂合金制備工藝對鎂合金發(fā)揮輕量化優(yōu)勢的限制。
增材制造（AM）的激光粉末床熔融（LPBF）和電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術(shù)由此誕生。LPBF由SLM Solutions和EOS在90年代中期實現(xiàn)商業(yè)化，而EB-PBF則由Arcam AB在1997年實現(xiàn)商業(yè)化。
導(dǎo)讀：基于熔融的增材制造（AM），例如激光粉末床熔融（LPBF）、定向能量沉積（DED）可以定制生產(chǎn)幾何和成分復(fù)雜的零件，使其具有前所未有的功能和性能。然而，由于局部熱源與材料相互作用所固有的復(fù)雜且經(jīng)常是極端的熱條件，對穩(wěn)定地在打印件中獲得所需的相構(gòu)成了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，特別是對于在AM制造過程中具有多階段相變的材料（如鋼、鈦合金、鎳超合金）。
它的打印速度甚至高于電弧熔絲，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能進一步提高表面質(zhì)量和零件的靈活性。
南極熊3D打印，贊73
在汽車領(lǐng)域，Seurat公司認為他們的技術(shù)可用于生產(chǎn)汽車備件和下一代電動汽車的原型部件。同時，這項技術(shù)因為具有可擴展性和無飛濺性，可以成為生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用大尺寸部件的理想選擇。
它的打印速度甚至高于電弧熔絲，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能進一步提高表面質(zhì)量和零件的靈活性。
對于COMOSL的模擬主要集中在粉末熔化的熔池，相變等方面考慮，同時，附帶考慮了背景氣體。這里我們換一個是思路取思考，主要考慮反沖物質(zhì)（壓力）對背景氣體的影響，或說背景氣體對燒蝕形貌的影響。這里我們對空氣和材料都采用動網(wǎng)格的方式建模。主要采用的模塊：層流動網(wǎng)格+流體傳熱等模塊。
目前，這個模型全球好像只發(fā)了兩篇SCI一區(qū)，還有很大的擴展空間。
