多材料零件的增材制造设计指南

在文献中，缺乏用于增材制造的多种材料的设计指南，以确保多种材料部件的可重复制造过程并控制部件质量。德国汉诺威大学首次提供了多材料零件的设计指南，包括排列、尺寸、悬垂、经济性、粉末质量和激光扫描。

图1。关于几何尺寸的材料过渡分类。

由于多种材料的增材制造技术的进步，产品开发过程也必须进行相应的调整。例如，必须考虑其他因素，如设计工具的选择、各自工艺参数的定义，以及用过的粉末回收和后处理策略。因此，在下文中，将更详细地讨论整体PBF-LB/MM工艺链，它与传统的单材料工艺链一样，可以分为设计、预处理、过程中、后处理和精加工阶段（见图2）。

图2。用于多种材料制造的PBF-LB工艺链。

除了实际的零件建模，设计过程还包括大量其他步骤，如规划、材料选择、优化和确定合适的工艺参数。在最好的情况下，关于整个过程链的大部分知识在这个阶段必须已经可用，因为对产品开发过程的影响在这里是最重要的。

设计过程从需求的规范和设计目标的确定开始。根据所需的技术性能，在下一步“材料选择”中，可以选择金属/金属、金属/陶瓷、金属/聚合物和金属/玻璃四种材料组，用于一般的多材料生产。目前特别关注的是第一组材料，金属/金属。由于与其他材料组相比，这些材料在原子键合和热膨胀系数等性能方面相似，连接区可产生更好的键合。Schneck等人的研究表明，在混合制造中，主要研究相似的金属，如两种铁或铝合金。相比之下，2D多材料制造主要使用不同材料的铁和铝合金，而3D多材料制造则主要使用钢/铜组合，如316L/CuSn10或1.2709/CW106C。一些材料，如钛合金，在使用PBF-LB的多种材料研究中完全不存在。原则上，使用辅助材料选择是有用的。例如，这些包括选择增材制造的多种材料的通用方法、解决冲突目标的方法、制造特定材料数据库和合金兼容性图表。

多材料零件的几何建模必须选择合适的设计工具。由于目前用于多种材料制造的工具不足，通常仍使用Autodesk Inventor或SOLIDWORKS等经典CAD程序。这包括为每个材料域创建一个单独的3D体积模型，以便随后分配合适的工艺参数。因此，有必要采用新的方法来实现所需领域的特定需求材料分配。Altenhofen等人提出了一种新的建模方法，该方法特别适用于在体积模型中生成渐变材料过渡。这是通过基于等几何分析（IGA）生成NURBS（非均匀有理B样条线）体积来实现的。该方法已由Fraunhofer IGD作为GraMMaCAD（分级多材料CAD）软件的一部分实施，该软件使用户能够在3D模型中分配局部变化的材料特性。另外两个工具GrabCAD Print和Autodesk Monolith在体积模型中的材质指定中也值得一提。

在构建周期之前确定单个材料的工艺参数和扫描策略之前，必须根据界面形态的熔池行为验证材料兼容性。众所周知，由于激光吸收率和热导率等各种热物理特性，连接区可能会出现裂纹和孔隙等缺陷。为了防止或尽量减少这些影响，可以采取两种不同的措施。一个是工艺参数的优化，另一个是沿界面确定合适的几何形状。目的是生产尽可能高的相对密度和无缺陷的材料，以获得足够的零件质量。目前，PBF-LB工艺的材料鉴定通常通过大量的试验进行，这些试验需要很长的准备时间和高昂的成本。因此，为了最大限度地减少工作量，目前的研究主要考虑单个激光轨迹。这允许识别诸如激光功率和扫描速度之类的相关参数。然而，为了优化扫描策略或能够对微观结构中的孔隙进行说明，对三维零件几何形状的研究是必不可少的。另一种方法是使用数值分析，它可以预测用于多种材料生产的PBF-LB制造过程中的潜在物理行为。目前，使用商用软件无法进行多材料模拟。因此，许多研究小组一直致力于建立模拟模型来分析这些部件。这方面的一个主要挑战是规模和时间维度之间的差异。考虑到研究熔化过程所需的高时间和空间分辨率，模拟整个零件会导致不成比例的高计算成本。因此，通常遵循使用多尺度方法的逐步工作流程。最初，检查单个激光轨迹，从而可以研究热输入、热发射、相变和表面张力等特性。这允许确定熔池几何形状，然后将其用作单层模型的热源的输入参数。最后，可以计算对零件水平的热影响和机械影响，从而得出关于潜在工艺引起的零件翘曲的结论。尽管与传统制造工艺相比，增材制造提供了高度的设计自由度，但在设计过程中必须考虑材料、工艺和机器的特定限制和规则。目前，没有适用于多种材料制造的制造限制和设计指南。相反，大量PBF-LB设计指南是已知的单体材料。例如，Kumke等人提供了一份全面的设计指南清单。此外，目前在数据准备中的常见做法是为每种不同的材料以及工艺参数创建一个单独的子实体模型，然后将其导出到三维STL（标准三角测量格式）面模型文件中。

在加工过程中制造零件之前，必须首先在预加工过程中为机器设置做好准备。这涉及到使用准备工具集（如Autodesk Netabb或Materialise Magics）从STL子模型创建层文件。所涉及的各个过程步骤如下。

1.将零件虚拟放置到特定的机器构建平台上。

2.根据所需层厚度进行切片

3.填充图案的选择（简单、条纹、四边形、棋盘格）

4.生成每个参数集的填充（图案填充距离、图案宽度、角度分配）

5.将轮廓和图案填充导出为CLI（通用层接口）文件

这一准备过程需要耗费大量时间和精力。此外，它还涉及导出大量数据。因此，未来将需要更高效的零件准备工具，例如具有更高自动化程度的材料专用构建处理器。

预处理的虚拟零件数据随后被馈送到打打印机，从而允许在加工过程中逐层生成物理零件。大多数研究都研究了2D多材料试样，因为这些试样可以通过在z方向上手动改变材料的方式，使用商用PBF-LB机器制造。相反，在制造3D多材料零件时，对材料分布的空间控制至关重要。常见的铺粉机制无法在x-y平面中实现多材料沉积。因此，当前的核心研究课题之一是开发用于多种材料沉积的设备。

图2给出了能够在体素水平上实现三维材料分布的示意性构建循环。这种沉积原理为每种材料粉末使用一个单独的滚筒。滚筒配有精细的网格表面，使粉末颗粒能够通过受控气流产生的真空附着在滚筒上。然后在每层的应用过程中选择性地沉积它们的颗粒。构建周期是完全自动的，由以下迭代步骤组成。

1.材料A和B的二维粉末沉积

2.粉末床的选择性熔化和固化

3.将构建平台降低预定义的层厚度

4.将反冲器移动到初始位置，并对层n+1重复步骤1。

使用现场工艺监控，可以在构建周期中生成数据，提供有关熔化程序的详细信息，从而在早期阶段识别零件缺陷的根本原因，并在必要时进行纠正。关于PBF-LB工艺，McCann等人提供了现场工艺监测原理的最新概述。在这方面特别值得注意的是高温计，它可以检测熔池的过热或过冷，以及高速摄像机，它可以对熔池进行视觉评估。目前，所谓的开环系统通常用于过程监控的当前实现中，其中直到在后处理中进行分析之后才调整参数。相比之下，新型闭环方法允许实时自动调整参数。此外，机器学习可以用作传感器数据的自动评估和分类的手段。然而，这方面的研究现状仍处于发展阶段。

在成品零件的后处理中，单材料和多材料的基本步骤和挑战是相同的，如粉末去除、零件与构建平台分离、现场工艺监控评估、后处理和质量控制。然而，目前还没有关于多材料零件的机械和热后处理的具体指南。

混合粉末的清洁分离是一个额外的工艺步骤。该步骤包括将各种粉末材料彼此分离以及去除与工艺相关的杂质（分类）。由于体素材料沉积中涉及的颗粒尺寸相似，目前的材料分离技术被证明是具有挑战性的，并且尚未在实践中实施。有必要研究利用材料物理特性的新方法，如磁化率、密度、电导率、表面润湿性以及化学或机械性能。在选择合适的分离原理时，应考虑表现出最大可能差异的材料的性质。与该领域具有重要相关性的是Fraunhofer IGCV的工作，除了相关分拣程序的技术试验和实施外，该工作还考虑了其选择和评估的方法。除了技术可行性外，还考虑了整个粉末工艺链的经济可行性，以便能够为特定应用选择最佳分拣工艺。在这种情况下，铁磁分离和筛分特别值得一提，因为它们已被证明是最有前途的工艺。

在验证零件时，对连接区的机械和热参数以及微观结构分析进行研究是有用的。在这方面，已经有几项研究与2D试样连接区的表征有关，使用光学方法，如光学和扫描电子显微镜（SEM）图像来分析微观结构，并对强度和缺陷进行说明。

在下文中，确定材料组合CuCrZr/316L的PBF-LB/MM设计指南的方法和初始条件。

从根本上讲，PBF-LB生产的多材料试样的整体质量取决于大量的影响参数。表1概述了主要影响参数。本文区分了很大程度上不受影响的边界条件，如机器、工艺和粉末规格，以及受影响的参数，如几何形状和扫描规格。

表1。PBF-LB试样生产的主要影响变量。

为了实现多材料设计，Aconity MIDI+机器与集成Aerosint SPD Recoater V1.0一起使用。表2列出了机器的关键数据和工艺规范。

表2。机器和工艺数据。

图3a和b显示了316L和CuCrZr粉末的化学成分和相应的累积粒度分布。粒度分布对粉末的流动性和粉末床的密度有着至关重要的影响。当确定粉末尺寸分布中的最大颗粒时，D90的百分比值是一个关键变量。观察到颗粒的球形形态，这是实现尽可能致密和均匀的粉末床所必需的（见图3c）。

图3。粉末材料，a.所用材料的化学成分，b.对数粒度分布，c.球形形态，以316L为例

对于PBF-LB/MM系统的基本评估，本文主要考虑了五个不同的特征。表3列出了试样及其各种参数范围。为了评估零件间隙和下切角的可制造性，使用了符合DIN 52902的预先存在的单材料试样（见表3a和表b）。对于多材料试样，研究了材料变化的各向异性、渐变内的体素大小和扫描参数。为此，考虑了不同的界面几何形状。将材料连接在一起的最基本方法是对接（见特征：各向异性，表3c）。具有互锁轮廓的接头几何形状遵循增加接触面积大小的方法（见特征：激光功率，表3e）。分级材料过渡可以被视为一种连接几何形状，其中应力集中和相关缺陷将通过创建扩大的过渡区来防止（见特征：分级，表3d）。除了指定了特征的样本外，还生成了在构建周期中最初暴露的对照样本，以便提前验证激光对准，即沉积轮廓和扫描轮廓之间的对应关系，并能够在必要时调整PBF-LB/MM系统（见对照样本，表3f）。此外，值得注意的是，所有试样都是在没有支撑结构的情况下制造的，也没有进行后热处理。

表3。特征和试样。

扫描参数的初始数据见表4a。在这项工作中，体积能量密度被认为是一个比较值。该值描述了每体积单位激光束引入材料的能量，并根据激光功率与扫描速度、层厚度和填充距离的乘积的商计算得出。激光束和材料的吸收特性之间的相互作用对所得到的零件质量有重大影响。由于铜合金在1070波长范围内具有高导热性和较低的激光能量吸收率与钢合金相比，它需要更高的体积能量密度来熔化材料。此外，铜合金粉末层以与前一层偏移90°的角度进行第二次熔化。这也被称为重熔，可降低裂纹形成、孔隙率和残余应力，同时增加零件密度。此外，条纹图案用于图案填充，其中最小轨道宽度被限制为0.08mm乘以激光光斑直径。为了评估扫描数据，根据表4b改变激光功率和扫描速度。

表4。扫描参数，a.边界条件，b.以600mm/s的恒定扫描速度设置的参数。

这项工作主要使用光学检查程序，如目视检查和扫描电子显微镜（SEM），以及使用微型计算机断层扫描（μCT）的射线照相检查。过程中使用CMOS摄像头进行记录，该摄像头允许在构建周期内检测缺陷，并在必要时进行纠正。

图4。用于过程监控的现场摄像机拍摄的照片

构建周期结束后，第一步是通过宏观层面的目视检查来评估试样的可制造性。在下一步中，使用额外的设备对选定的试样进行详细检查，该设备可以在微观水平上观察试样内部。SEM可用于微观结构检查，特别是用于检测不同材料的连接区中的缺陷。另一方面，μCT允许在任何截面上检查和分析整个三维试样中的缺陷。这使得即使是复杂几何形状的试样也能够进行尺寸精度和表面粗糙度的检查。

从表3中考虑的特征获得的结果如表5所示。为了评估可制造性，使用Harvey球表示“可成功制造”（黑色填充圆）和“不可制造”（白色填充圆）。

表5。几何特征的可制造性评估。

表5a和b显示了材料316L和CuCrZr的单材料试样的不同特征“槽宽”和“下切角”。所有试样都可以整体制造。因此，通常可以确认，给定的机器、工艺和粉末规格会产生所需的结果。为了确定两个槽或零件之间可达到的最小距离，借助塞尺在0.05至1mm的测量范围内测量槽宽度，并与标称值进行比较。发现实际值平均为0.3mm小于标称值。间隙小于0.6mm不能制造。从这些结果可以得出结论，最小间距为1mm可以成功地制造。对羽绒角的调查表明，所有扁平翼片（长度15mm）可以以15°到90°的角度制造。然而，在翼片本身之间以及在其相应的下表面和上表面之间都可以看到显著的差异（见表5b）。在这种情况下，建议使用30°的自支撑降表皮角度。在这种情况下，重要的是要提到，这里提出的调查是基于随机样本的，未来还需要进一步的研究来进行统计验证的测量。

为了研究与方向相关的材料排列对零件质量的影响，获得了制造的立方体试样的SEM图像（见表5c）。在每个试样中，对抛光连接区的内芯进行检查。研究表明，多材料制造是一个高度各向异性的过程，零件的构造方向对连接区有很大影响。在钢-铜打印顺序的情况下，在接合区发生混合（界面扩散），从而提高结合强度，而在倒置排列的情况下不发生混合。如果两种材料都平行于构建方向，则连接区会出现明显的孔隙和裂纹。因此，研究结果证实，在固化过程中过高的温度梯度会导致连接区中的缺陷。

四分之二的分级样品可以生产。由于体素数量庞大，将零件数据传输到多材料机器是一项具有挑战性的任务。可实现的最小体素大小为1在接合区域中不能产生完全连续的材料过渡。材料的各个体素彼此离散地分离。

利用3D试样，在特定几何形状的基础上研究了CuCrZr的扫描参数。与对接接头相比，互锁接头轮廓的接触表面积大62%。结果表明，所有变化的参数都在78-208J/mm3范围内的可行工艺窗口内，尽管它们之间仍然可以观察到显著的差异。在这种情况下，CuCrZr的推荐激光功率为400W或体积能量密度为139J/mm3，这会在316L的连接区产生更均匀的熔池与初始参数（500W）。

除了先前研究的五个特性外，还可以通过过程监测获得新的机器和过程特定结果。所有结果都以目录的形式在材料和工艺特定的设计指南中正式化（见图5、图6）。总共可以确定十二个指南，为了清晰起见，这些指南分为六个特征组：排列、尺寸、悬垂、经济性、粉末质量、激光曝光。这包括具有代表性的示例、说明以及在适当情况下的具体值。

图5。零件/材料特定设计指南。

图6。机器/工艺特定设计指南。

与单一材料的增材制造相比，使用功能优化的多种材料可以扩大设计解决方案空间。为了达到工业成熟度，设计指南是必要的，在设计阶段起到支持工具的作用。这项工作的目的是为316L/CuCrZr材料组合制定特定工艺的PBF-LB/MM设计指南。对选定的几何结构和扫描规格不同的特征进行了研究。考虑到这项工作中考虑的边界条件，可以在构建平面内用任意放置的材料制作试样。与单一材料制造相比，可以获得全新的机器和工艺特定见解。例如，在粉末沉积期间应关闭惰性气体流，以避免粉末污染。目前，由于材料性能的差异，在连接区形成裂纹和孔隙的现象对PBF-LB/MM的制造构成了重大挑战。本文还确定了这种特殊影响，特别是在构建平面中具有材料过渡的平面对接接头的情况下。相反，在构建方向上从钢到铜的材料转变的情况下没有观察到缺陷。在这里，在接合区域中进行材料混合，这导致了粘合强度的提高。因此，多材料制造是一个强各向异性的过程，其中材料排列对连接区有重大影响。

研究表明，使用这种特定工艺的PBF-LB/MM方法，可以制造不同的界面几何形状，如矩形互锁几何形状或渐变材料过渡。然而，使用分级材料转变不能实现完全连续的材料转变。材料分级的最小可实现颗粒尺寸约为1此外，使用CuCrZr的三维试样确定了合适的工艺参数，以实现均匀的熔池和无缺陷的连接区。对于CuCrZr，体积能量密度在104–174 J/mm3范围内的工艺窗口建议使用。工艺参数必须根据具体材料进行调整，尤其是根据具体几何形状进行调整。

未来的工作需要更详细地研究这种影响，以获得对组件质量的进一步控制。有几种可能的措施来实现这一点。一方面，需要进一步优化界面几何形状，另一方面，还需要研究工艺参数沿连接区的局部变化。此外，还可以研究工艺后热处理策略，如用于试样再鉴定的热等静压（HIP）。为了获得关于建造周期中熔池行为的更详细信息，在未来的研究工作中应使用高温计和高速相机等额外工具。本文中的研究结果为全面的PBF-LB/MM设计指南提供了初步基础，并可在任意材料、几何特征和工艺的进一步研究中扩展。

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