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賓夕法尼亞州立大學3D打印技術實現單一結構中兩種金屬精確組合

時間:2025-04-05 09:35 來源:南極熊 作者:admin 閱讀:

       2025年4月4日,賓夕法尼亞州立大學的研究人員通過一種新的3D打印方法,成功制造出傳統上只能通過焊接技術實現的復雜金屬結構。這一突破性技術采用了多材料激光粉末床熔合技術,將低碳不銹鋼和青銅(90%銅、10%錫)混合物打印成單一結構。
 

△相關研究題目為“多材料激光粉末床熔合:構建方向對缺陷、材料結構和機械性能的影響”(傳送門)


         該技術的核心創新來自于通過直接數字沉積工藝,利用新購置的Aerosint選擇性粉末沉積系統進行精確打印。相關系統于2023年8月加入賓夕法尼亞州立大學創新材料加工中心(CIMP-3D),并與現有的3D Systems ProX320 AM機器相結合,為打印和測試多材料金屬部件提供了強大支持。
 

△研究人員利用多材料激光粉末床熔合技術,打印出了一種低碳不銹鋼和青銅的混合物


       機械工程博士生Jacklyn Griffis表示:“通過選擇性粉末沉積,我們能夠將多種金屬粉末在增材制造過程中熔化并融合成一體,精度達到微米級。我們是美國首個成功應用此技術的大學。”
       CIMP-3D聯合主任、機械工程副教授Guha Manogharan表示:“我們現在已經具備了打印多材料金屬部件的完整技術流程,并能實時監控和解決制造過程中的潛在問題,這為未來3D打印技術在金屬部件生產中的廣泛應用奠定了基礎。”

 

△多材料3D打印為金屬增材制造提供了更大的設計自由度和材料控制示意圖


探索多材料3D打印制造精度與材料性能的優化
        在使用單一粉末實現多種金屬材料打印的過程中,研究團隊面臨著一系列關于加工參數與零件質量的復雜挑戰。為深入理解這些因素對最終成品性能的影響,研究人員重點分析了零件的構建方向,以了解如果零件是直立、平放或側面打印,會發生什么變化。
        Griffis表示“我們的研究將構建方向與多個結構特征相聯系,如裂紋、孔隙、界面微觀結構,以及元素在界面處的擴散與混合行為。我們進一步將這些制造缺陷與零件的機械性能進行關聯分析,以探索這些缺陷對性能的潛在影響。”

 


        研究中制造的成品為一種復雜的螺旋結構,適用于熱交換器、生物醫學植入物等高性能應用。之所以選擇螺旋幾何,是為了展示該新型多材料激光粉末床熔合(MM-LPBF)技術在制造復雜多材料結構方面的獨特優勢——這是傳統單材料打印工藝無法實現的。
      CIMP-3D聯合主任、機械工程副教授Guha Manogharan指出:“賓夕法尼亞州立大學在金屬增材制造領域處于領先地位,如今我們不僅能制造幾何復雜的結構,還能精準控制每種材料在部件中的分布位置。為了實現規模化生產,我們必須深入理解材料特性與制造參數之間的相互作用,以識別和解決界面失效等關鍵問題。”
      在未來的研究方向上,團隊計劃利用過程監控系統進一步提升3D打印工藝的穩定性與可重復性,使這一工藝更適合工業化生產。同時,他們還將探索Inconel合金和銅等更多金屬材料組合在多材料LPBF工藝中的應用潛力。


 

(責任編輯:admin)

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