激光粉末床熔融的案例
電子束金屬3D打印的發展，落后于激光粉床熔融技術了嗎？
南極熊導讀：半個多世紀以來，關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，學術界一直爭論不下。其中電子束能產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用的規模。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的金屬粉末床焊接成復雜的三維形狀。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）技術由此誕生。LPBF由SLM Solutions和EOS在90年代中期實現商業化，而EB-PBF則由Arcam AB在1997年實現商業化。
△EOS的AMCM M 290-2 1kW 激光粉末床融合系統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作為競爭技術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用方面仍然遠遠落后于LPBF，這已經不是行業秘密。
激光與電子束增材技術的發展趨勢
下圖展示了不同機器原始設備制造廠家的EB-PBF技術在不同時間段的發展歷程，該圖揭示了兩個有說服力的觀察結果：
1. 近 20 年來，Arcam 主推LPBF增材制造技術應用，并與其他使用LPBF技術的制造商展開競爭。
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。
△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 Uniform Wares 腕表表鏈中的粉末床熔融3D打印技術
根據3D科學谷的市場觀察，Betatype 此前與航空航天、汽車等多個制造領域的企業用戶共同開發了一些工業應用案例，他們利用粉末床激光熔融設備制造功能集成、點陣輕量化等尤其適合通過3D打印技術進行制造的結構。
圖片來源：Betatype
比如說在航空航天領域，賽峰曾開發了3D打印電機外殼，電機外殼的設計得到優化，具有更高的強度和更高的剛度。賽峰這款3D打印發電機外殼，從過去由幾個復雜加工零件組成的部件轉變為一個功能集成的部件，因此整體零件數量和制造時間得以減少。3D打印電機外殼設計時應用了Betatype的Engine-Platform軟件，將激光掃描路徑和曝光設置控制到夾層結構設計的每個元素。
汽車零部件制造企業與Betatype 探索通過粉末床熔融技術進行汽車LED 大燈散熱器量產的可行性。這款3D打印散熱器的采用了功能集成化設計，并設計了內置支撐功能，完成后的打印件通過手工的方式即可從基板中分離。Betatype 通過智能化的設計技術減少熱應力，將熱變形最小化，在一次打印中同時生產的多個散熱器以堆疊的方式進行擺放，從而實現生產量的最大化。
圖片來源：Betatype
Betatype 還針對粉末床激光熔融技術開發了激光路徑生成技術，以降低模型的復雜性并簡化設計過程。以薄壁結構這種復雜的設計特征為例， Betatype利用其技術可以更經濟快速的制造復雜薄壁結構。上圖為Betatype在雷尼紹 AM250設備中制造的復合氣體歧管，該零件具有250um 的壁厚，打印材料為5級鈦合金。
展開 應用實例 | Simufact 增材制造工藝仿真助力保時捷薄壁件打印
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進行加工，其中在Simufact Additive中仿真模擬了由增材制造打印任務、熱處理、基板切割支撐移除、熱等靜壓這幾個關鍵階段。
圖2：保時捷 GT2 RS 運動跑車排氣管部件設計變更，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果。仿真計算過程中，結果可實時查看。
圖 3：Simufact Additive 仿真結果（左）打印件掃描結果（右）
對于復雜的自由曲面，采用光學3D掃描，例如：測量設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 圖像結果被用于評估仿真工具的可靠性，例如變形情況預測和變形補償。從打印結果可以看出整體精度主要受到粉末床熔融過程中殘余應力（材料以每秒上千度的速度冷卻時產生的）導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：仿真結果）
激光束粉末床熔融工藝仿真采用 Simufact Additive 軟件，通過固有應變方法完成求解。CAD 模型采用體素單元進行離散化，結合部件的壁厚，設置體素單元尺寸為 2mm。仿真結果包括應力分布和變形的預測以及最終形狀的輸出。圖 3 對比了仿真結果與CT測量結果。可以看到仿真結果與實物測量結果吻合的較好，表面偏置情況和變形量與實際完全符合。通過 Simufact Additive 進一步預測了成形缺陷“收縮線”。這些收縮線發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 3D打印突破碳纖維增強PEEK復合材料粉末床熔融成形機理
激光選區燒結（SLS）作為3D打印技術中的一種，在制備復雜結構制件及結構優化方面具有獨特的優勢，這就使得PEEK及其復合材料的3D打印具有較大的吸引力。
然而，目前PEEK及其復合材料的SLS制件強度均低于其注塑件，從而大大限制了PEEK及其復合材料的3D打印制件的應用范圍；同時，較高的加工溫度（＞300℃）對設備提出了更大的挑戰，目前可用于PEEK材料SLS成形的設備較少，商業化的設備僅有EOSP800、EOSP810等，但是其價格昂貴，系統封閉，這就為PEEK的SLS工藝研究及復合材料的配方研究產生了很大的限制。
圖1. PEEK和CF / PEEK復合材料的零剪切粘度與溫度的關系該文章采用SLS制備高強度碳纖維（CF）增強PEEK復合材料，基于高溫流變行為對CF / PEEK復合材料的燒結機理進行了深入研究。通過將模擬溫度分布與粘度-溫度關系相結合來定義新的有效熔化區域，并用于預測工藝規劃。
圖2. 由PEEK和CF / PEEK（a-e）計算的有效熔化區域和PEEK（f）的熱重曲線根據計算結果，對CF/PEEK開展了SLS工藝實驗，結果表明，當激光功率為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合材料的SLS工藝預測，同時，高強度高模量CF/PEEK的SLS制件也為航空航天領域制件的拓撲優化、快速制造等提供了可能。
圖3.
展開 
激光粉床熔融過程中的殘余熱量對熔池幾何形狀的影響
Speed School of Engineering, University of Louisville, Louisville, KY 40292, USA
這篇論文是關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的影響的研究。研究結果表明，殘余熱量對熔池的生命周期和微觀結構形成有顯著影響。在多層加工時，第一層表面形態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和微觀結構也有顯著影響。因此，需要根據掃描區域進行參數定制以減少零件質量問題。
以下分為實驗和數值模擬兩個部分進行說明。
一、實驗
激光加工參數：
操作流程：
實驗樣品：
二、數值模擬
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。模擬結束后，可以看到第一層和第二層之間的間隙情況。
仿真設定及材料規格：
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。
展開 200萬激光點金屬“區域3D打印”技術，速度提升1千倍，成本堪比壓鑄，Seurat獲4100萬美元B輪融資
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零件表面質量和結構控制靈活性。
△激光粉末床熔融、電弧熔絲、粘結劑噴射、區域打印技術四種工藝在最小特征尺寸和打印效率方面的對比
Seurat公司首席執行官兼聯合創始人James DeMuth說："Seurat正在將一項革命性的技術推向市場，引入新的金融和戰略投資者將極大地幫助公司在商業化方面邁出下一步。
△
Seurat 3D打印的金屬零件
自2015年成立以來，Seurat公司一直致力于開發“區域打印工藝”，并打算推廣給汽車、消費技術和工業客戶。與現有技術相比，"區域打印 "將200多萬個激光點聚焦到金屬粉末床上，實現快速打印最終用途的部件。
在汽車領域，Seurat公司認為他們的技術可用于生產汽車備件和下一代電動汽車的原型部件。同時，這項技術因為具有可擴展性和無飛濺性，可以成為生產工業應用大尺寸部件的理想選擇。
由于Seurat技術的生產效率高，可以幫助用戶有效的降低成本。Seurat的區域打印技術突破了每個零件成本的現有障礙，他們的第一代系統與今天的增材制造技術相比，已經可以降低50%的成本。而且將進一步提高效率，未來幾代機器的目標是在2030年擊敗傳統壓鑄工藝的制造成本。這將標志著增材制造作為一種主流技術的突破。
△當前增材制造成本、未來幾代區域打印技術的成本、傳統制造工藝成本對比
然而，這個工藝已經開發了至少六年，在2017年獲得了專利，但目前還未實現商業化。
展開 FLOW-3D AM 增材制造仿真方案，亮相2026 TCT亞洲展
FLOW-3D AM 軟件基于離散元方法（DEM）和計算流體動力學（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、孔隙形成、滲透和擴散，分析和優化工藝參數。
圖片集錦
FLOW-3D China 期待與您再相見！
激光粉床熔融工藝中的匙孔氣泡缺陷研究
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，每道加工長度為8mm，共加工六道。希望透過本研究了解匙孔氣泡形成機制。
1. 匙孔的形成
最初的加熱區域先形成較淺的熔池
反沖壓力造成熔融金屬流體向下運動
向下的流體運動以及熱點造成匙孔持續增長
熱量往熔池后端移動，造成匙孔邊緣的溫度繼續上升，形成更大的反沖壓力
匙孔引起的氣泡缺陷形成機制
匙孔底部的反沖壓力持續增加，造成熔池上緣區域的表面張力隨之增加
局部冷卻的金屬開始閉合，形成不規則的氣泡
向下的流體流動將這些氣泡往熔池后端推動
氣泡隨即被困在凝固的金屬熔池內
用FLOW-3D AM軟件進行仿真，并與實驗比對。
2. 模型驗證
以170W的激光加工實驗與數值模型比對，上圖為氣泡深度VS直徑。黑色方框為實驗數據，紅色圓圈為仿真結果，兩者趨勢一致。
上表為氣泡的平均直徑和深度數據，以及熔池的平均寬度和深度數據，仿真與實驗結果相當接近。
展開 COMSOL激光粉末床熔化的羽流仿真 ￥3000
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（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格的方式建模。主要采用的模塊：層流動網格+流體傳熱等模塊。
目前，這個模型全球好像只發了兩篇SCI一區，還有很大的擴展空間。
粉末床激光3d打印模擬 增材制造slm模擬教學 ￥100
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氬氣和氮氣等屏蔽氣體如何影響3D打印不銹鋼
進行了數值研究，以獲得在激光粉末床熔融過程中在氬氣和氮氣保護氣體下制造的部件的溫度，溫度梯度和冷卻速率。進行顯微硬度測試和拉伸測試以確定3D打印部件在不同保護氣體下的機械性能。得出以下結論：
1、氮氣氛沿著軌道引入略低的溫度和溫度梯度，同時冷卻速率高于氬氣氛。研究人員將此歸因于氮氣的較高導熱系數。
2、當氮氣用作保護氣體時，更多的能量應從軌道消散到環境中。這是由于使用氮氣時提供的冷卻速率更高。
3、在氮氣保護氣體下制造的試樣的硬度略高于在氬氣下制造的試樣的硬度。這歸因于由于在氮氣氛下提供的較高冷卻速率而獲得的更精細的微結構。
4、“HT-Ar / Ar試樣的硬度高于HT-Ar / N2試樣。這是由于在氬氣氛下制造的奧氏體基體與馬氏體微觀結構相比具有更高的沉淀硬化能力。
在所有測試條件下，拉伸行為的變化最小。然而，在氮氣氛下3D打印的樣品具有稍高的強度和延展性。
該研究可以提供有價值的見解，以更好地避免添加制造部件中的缺陷，例如孔隙率和缺乏熔合。特別是金屬添加劑制造是一種非常精確的科學，涉及大量的化學知識和數學計算，以便為3D打印創造最佳條件。根據研究人員的研究，制造商可能能夠改變3D打印零件的條件，從而獲得更好的整體組件。
來源：3D虎
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LLNL研究人員使用激光束整形來增強金屬3D打印過程中的特性
采用的是選擇性激光融化技術3D打印技術，克服了傳統制備方法的局限, 改善了顆粒團聚和界面結合問題，并且可以加工成復雜零件的形狀，而無需工裝夾具或模具的支持，同時在這個過程中, 材料利用率高。
總之，通過粉末床熔融技術來開發高性能材料的方法多種多樣，根據3D科學谷的市場觀察，目前使用的方法主要包括對加工工藝的控制、激光光束的控制、冷卻速度的控制以及使用顆粒增強的方法。
3D打印馬氏體不銹鋼，產品性能與傳統制造方式相當！
導讀：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）可以定制生產幾何和成分復雜的零件，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雜且經常是極端的熱條件，對穩定地在打印件中獲得所需的相構成了相當大的挑戰，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）。這些挑戰經常表現在三個方面：（1）由于快速的冷卻速度，AM凝固發生在遠離平衡點，導致相變的順序/時間偏離平衡相圖。(2) 熔池不同位置的加熱/冷卻條件是不均勻的，導致單一熔池內出現不同的相構成。(3) 不同的機器、同一批次的不同部件、甚至一個部件中的不同區域的熱條件都是不同的，導致不同打印品的相構成不一致。
2022年9月，南極熊獲悉，來自美國國家標準與技術研究院(NIST)、阿貢國家實驗室和威斯康星大學麥迪遜分校的一組科學家已經確定了一種特定的 17-4 鋼成分，該成分在打印時與傳統生產的零件表現出的性能相當。他們的研究已經發表在了《增材制造》期刊上（SCI 一區），題目為《Phase transformation dynamics guided alloy development for additive manufacturing 》（《相變動力學指導下的增材制造用合金開發》）
△3D 打印的 17-4 不銹鋼的顯微圖像。圖像左側版本中的顏色代表合金中晶體的不同方向。圖片來源：NIST
材料強度和耐用性對于貨船、客機、核電站和其他關鍵技術至關重要。這就是為什么研究人員要研發這種稱為不銹鋼（17-4 沉淀硬化 (PH)）的極其堅固且耐腐蝕的合金。這是首次，17-4 PH 鋼可以在保持其優勢特性的同時可靠地進行 3D 打印。
展開 卷積神經網絡原理用于機器學習“修復”3D打印金屬零件
拿粉末床金屬熔融技術來說，金屬粉末一層一層的被凝固，從而成為最終零件，在層凝固的過程中就有著與模型切片所對應的圖像成像過程，由此說來，卷積神經網絡原理用于3D打印的前饋控制是頗具發展潛力的。
制造，最終回歸于軟件與算法？
LLNL的研究人員通過標記每個構建過程的高度圖的算法，然后使用相同的模型來預測構建路徑的寬度和標準偏差。路徑是否被破壞是由一套算法來判斷的，這套算法是LLNL國家實驗室的研究員Bodi Yuan開發的。
此前，LLNL的一些研究人員花了數年時間收集激光粉末床熔融金屬3D打印過程的各種形式的實時數據，包括視頻，光學層析成像和聲學數據。逐漸，LLNL發現，如此大的數據量，不可能通過人工來進行所有的數據分析，由此他們寄希望于神經網絡是否可以簡化任務。
根據LLNL國家實驗室，就像人類大腦使用視覺和其他感官來導航世界一樣，他們希望通過機器學習分析傳感器獲取的數據來導航3D打印過程。
根據3D科學谷的了解，LLNL國家實驗室開發的神經網絡可以用于其他3D打印系統。理論上，研究人員應該能夠遵循相同的算法，在不同條件下創建零件，收集視頻，以生成可用于標準機器學習技術的信息。
目前，LLNL國家實驗室仍然需要做一些工作來檢測零部件中的孔隙，這些部位無法通過高度圖掃描進行預測，但可以通過非原位X射線照相技術進行測量。除了視頻之外，研究人員還將嘗試創建算法以合并分析其他類型的傳感器所獲取的數據。
展開 看芝加哥IMTS國際機床工具展上的3D打印熱點有哪些？
Stratasys還展示了他們的金屬3D打印，這是基于3DP粘合劑噴射技術的間接金屬制造技術，這些組件展示了傳統CNC無法實現的一系列復雜幾何形狀，按成本計算，各種3D打印金屬散熱器，發動機氣缸，油泵外殼的價格比通過粉末床熔融金屬3D打印制造便宜5到10倍。
HP也展出了兩臺新的3D打印機，Metal Jet是一種粘合劑噴射系統，這是惠普首次進入金屬3D打印領域的公開活動。使用粘合劑噴射工藝，以MIM工藝所用的金屬粉末作為原材料，Metal Jet將與Desktop Metal即將推出的生產系統正面競爭。而在惠普展位的中心，展示了通過塑料3D打印設備Multi Jet Fusion多射流融合技術所打印的140個組件。
圖：惠普的金屬打印設備
圖片：惠普展品
圖片：Desktop Metal的生產型設備
GE增材制造帶來了Arcam Q10 plus和Concept Laser M2 UP1（可能對業界更熟悉的是M2 Gen 3 Mk 4）。在GE增材制造展位的中心是AddWorks服務，這些服務是交鑰匙工程的一部分，GE希望能通過咨詢服務來加速增材制造的采用。升級后的Concept Laser M2具有多項新的硬件和軟件功能，旨在提高可重復性。這包括重新設計的工藝站和旨在促進熱穩定性的氣流系統。
Velo3D推出了令人印象深刻的金屬激光粉末床熔融新方法 ，從而進一步推動增材制造處理復雜幾何形狀的功能。
松浦雖然沒有展示其巨大的Avance-60混合增材制造系統。 然而，Avance-25混合增材制造系統和增材制造系統SLM仍然是市場上最先進的金屬增材制造系統之一。
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