賓夕法尼亞州立大學3D打印技術實現(xiàn)單一結構中兩種金屬精確組合

2025年4月4日，南極熊獲悉，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(tǒng)上只能通過焊接技術實現(xiàn)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(chuàng)新來自于通過直接數(shù)字沉積工藝，利用新購置的Aerosint選擇性粉末沉積系統(tǒng)進行精確打印。相關系統(tǒng)于2023年8月加入賓夕法尼亞州立大學創(chuàng)新材料加工中心（CIMP-3D），并與現(xiàn)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(lián)合主任、機械工程副教授Guha Manogharan表示：“我們現(xiàn)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(jiān)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(yōu)化

在使用單一粉末實現(xiàn)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(shù)與零件質量的復雜挑戰(zhàn)。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(fā)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(lián)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(lián)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(yī)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(yōu)勢——這是傳統(tǒng)單材料打印工藝無法實現(xiàn)的。

CIMP-3D聯(lián)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(xiàn)規(guī)模化生產，我們必須深入理解材料特性與制造參數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)進一步提升3D打印工藝的穩(wěn)定性與可重復性，使這一工藝更適合工業(yè)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。