摘要：新加坡南洋理工大学、哈尔滨工程大学烟台研究院、华南理工大学的科研人员报道了3D打印轻质金属薄壁结构最新进展研究。相关论文以“Recent Progress on 3D Printing of Lightweight Metal Thin-Walled Stru
长三角G60激光联盟导读
新加坡南洋理工大学、哈尔滨工程大学烟台研究院、华南理工大学的科研人员报道了3D打印轻质金属薄壁结构最新进展研究。相关论文以“Recent Progress on 3D Printing of Lightweight Metal Thin-Walled Structures”为题发表在《Advanced Materials》上。
金属薄壁结构在各类工业应用中无处不在，通过增材制造（AM）技术制造此类结构，无需组装即可实现复杂的薄壁几何形状。然而，增材制造的金属薄壁存在热量累积增加和结构稳定性降低的问题，这使得打印出几何精度高、变形和缺陷少的薄壁颇具难度。与块状结构相比，薄壁结构还经历不同的热历程和凝固条件，导致其显微组织和力学性能存在显著差异。本文将介绍金属薄壁结构的增材制造工艺，深入探讨增材制造金属薄壁的设计策略，包括增材制造技术带来的限制、薄壁在轻质结构中的集成，以及通过拓扑优化产生的新颖设计理念。随后阐明薄壁设计对几何精度、显微组织和力学性能的影响，并总结增材制造在各行业制造金属薄壁方面的应用。最后，本文将对金属薄壁结构增材制造的一些观点及未来工作进行展望。
图1金属薄壁结构增材制造概述。涡轮叶片、叶轮和热交换器。电动驱动壳体原型。
图2增材制造金属薄壁零件中的热积累：a)哈氏合金X薄壁（厚度分别为0.5、0.75和1毫米）在激光粉末床熔融（LPBF）制造过程中，(a) 温度分布的有限元（FE）模型以及(b)熔池几何形状。c) 厚度为c)0.5毫米、d)0.75毫米和e)1毫米的哈氏合金X薄壁的熔池形状和尺寸。f)描绘第1至5层（从下到上）中心温度场的有限元模型，以及g)显示每层温度峰值的相应图表。
图3增材制造金属薄壁零件中的残余应力：a)残余应力形成模型。b)Inconel718薄壁第二层沉积过程中的温度和速度分布。c)沉积10层后的纵向应变场。沿d)x方向、e)y方向和f)z方向的残余应力发展情况。
图4增材制造金属薄壁零件的表面粗糙度：a)随机（案例2-1）和对称（案例2-2）粉末分布的模拟轨迹波动，左侧显示熔化过程中的轨迹形态，右侧显示两侧熔化材料的体积偏差。b)外法线沿-Y方向的侧面，在 (c)中可观察到凸起A、B和C的形成。
图5新型轻质薄壁管状结构设计。
图6新型轻质薄壁蜂窝状结构设计。
图7新型轻质空心支柱晶格结构设计。
图8新型轻质板状晶格结构设计。
图9新型轻质壳状晶格结构设计。
图10新型轻质三重周期性最小表面（TPMS）片状晶格结构设计。
图11新型轻质受折纸启发的片状晶格结构设计。
图12薄壁零件的增材制造（DFAM）规则约束拓扑优化（TO）：a)传统制造的方形支架零件，b)优化后的DFAM。c)针对可制造性和功能性进行优化的薄壁叶片几何形状。
图13金属薄壁结构增材制造（AM）过程中出现的几何误差问题：a)在恒定能量密度下沉积的薄壁中的热积累。b)RENÉ 65薄壁的零件变形。c)Inconel718薄壁中残余应力引发的裂纹。显微计算机断层扫描显示表面粗糙度在d、e) 2.5毫米和f、g) 0.4毫米厚壁中的主导情况，其中(d)和(f)是三维渲染图，(e)和(g)是纵向横截面图。
图14壁面几何形状对AlSi10Mg薄壁结构显微组织的影响：示意图和扫描电镜（SEM）图展示了壁厚对薄壁（图a和c）和块状样品（图b和d）热流及后续显微组织的影响。示意图展示了e）直薄壁和f）倾斜薄壁如何影响热流以及α-Al柱状晶相应的伸长角度。示意图展示了交叉部位f）上部和g）下部的热流情况。
图15原位热处理对Inconel 718薄壁结构显微组织的影响：Inconel 718薄壁第一层沉积后的逐步析出情况，分别为沉积a、b）5层、c）6层、d、e）7层和f）8层后。
图16壁面几何形状对Ti-6Al-4V薄壁结构显微组织的影响：通过a）模拟和b）实验得到的双道单层显微组织。通过c）模拟和d）实验得到的单道10层薄壁显微组织。e）1毫米、f）5毫米、g）10毫米和g）20毫米样品交替α/β显微组织的扫描电镜（SEM）图。
图17航空航天、汽车、能源及热应用领域的增材制造金属薄壁结构：用于波音787梦想客机的航空航天结构部件。b）液氧泵定子。c）整体叶盘上修复的翼型。d）大型通道壁喷嘴。e）制动卡钳。f）电动驱动壳体原型。g）涡轮叶片。h）具有螺旋状晶胞的片状三重周期性最小表面（TPMS）散热器。i）非梯度和梯度热防护结构。
图18增材制造金属薄壁结构在其他应用中的实例。a)WAAMpeller（线弧增材制造螺旋桨）。b)计算机断层扫描（CT）扫描仪的防散射栅格。c)针孔准直器。核聚变反应堆的包层部件：d) 流道插件，e)氦冷球床燃料棒。f)用于镍基催化剂的不锈钢蜂窝整体式载体。
金属薄壁结构广泛应用于众多对轻量化及高比强度有要求的领域。增材制造（AM）的关键优势在于能够自由制造复杂几何形状，无需冗长繁琐的组装流程即可实现新颖的轻量化设计，这使其在航空航天、汽车、能源及热管理应用中颇具潜力。然而，金属增材制造技术存在制造限制，比如激光光斑尺寸和粉末粒度分布，这限制了所能达到的最小壁厚。因此，将拓扑优化（TO）与面向增材制造设计（DFAM）规则相结合，能够产生通过增材制造仍可行的新颖设计。
除了结构设计，还必须通过工艺参数优化和后处理来控制热积累效应、表面粗糙度和残余应力，获得几何精度高的薄壁结构。此外，薄壁与块状结构经历的热历程不同，导致显微组织和力学性能与几何形状相关。尽管后处理热处理可使薄壁和块状结构的显微组织均匀化，但可能会抵消增材制造过程中显微组织细化带来的优势。
粉末床熔融（PBF）和定向能沉积（DED）技术是金属薄壁零件最常用的制造技术。许多关于金属薄壁结构增材制造的研究都聚焦于通过工艺参数优化、后处理和混合增材制造工艺，来克服这些技术所引发的热积累、表面粗糙度和残余应力等问题。其他增材制造技术，如粘结剂喷射、材料喷射和材料挤出，不存在会使薄壁几何形状变形的极端加工条件。然而，针对这些其他金属增材制造技术用于薄壁结构的研究仍处于初步阶段。应通过实验和建模工作，建立工艺参数与显微组织及力学性能之间的关系。可以探索这些技术中缺陷形成的潜在机制，如表面粗糙度增加和孔隙率问题，以及通过原位过程控制获得几何精度高且力学性能良好的薄壁结构。借助机器学习，可以建立增材制造金属薄壁结构-显微组织-性能关系的综合数据库。
此外，由于材料收缩和热性能的差异，用于金属薄壁零件的材料类型会影响零件的最终几何形状。然而，即便对于金属薄壁常用的典型合金，这方面的研究也较为匮乏，更不用说复合材料、高熵合金和功能梯度材料等更先进的材料了。这些先进工程材料的成分高度可定制，获得特定应用所需的显微组织和性能，但这种成分定制的程度也使得通过实验确定热历程和合适的加工条件既耗时又昂贵。因此，利用建模和模拟深入理解熔化和凝固过程中的热物理现象至关重要。此外，建模和模拟可用于设计这些材料的最佳成分，实现薄壁结构所需的力学性能。机器学习也能够快速获得由这些先进材料制成的几何精度高的薄壁的合适工艺参数，但更重要的是，它在建立几何形状-显微组织-性能关系方面也大有前景。
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长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟