芬兰图尔库大学在其金属 3D 打印系统中新增了一台多材料铺粉装置，使研究人员能够在同一层内从三个独立的粉仓中沉积不同的金属粉末。该设备将用于研究多金属组合部件 —— 校方将这一能力与未来聚变能源的面向等离子体部件及航空航天推进系统联系起来。在一件打印部件中组合多种金属，可以使部件在某一区域耐热或耐磨，同时在另一区域传热或提供结构支撑。新设备为测试这类部件如何通过金属增材制造（metal AM）进行设计与生产提供了途径。
该硬件是 Aerosint 公司（aerosint.com）的 SPD2.1-B5 铺粉装置，现已集成到大学配备的 Aconity3D 打印机中。资金来自 AM4Plasma 项目 —— 该项目由 EUREKA 网络支持、图尔库大学协调，在芬兰通过芬兰商业署（Business Finland）的 CoInnovation 项目获得资助。
铺粉装置如何铺设不同金属
在传统的单材料激光粉末床熔融（LPBF）工艺中，铺粉装置将一种粉末铺展到整个构建区域，激光根据数字设计将其熔化，逐层构建部件。而 Aerosint 设备使用三个独立的送粉仓，在激光加工之前于一层内的选定区域铺设不同的粉末。在连续各层中重复这一过程，即可生产出材料随位置变化的部件。"多材料制造使我们能够提出这样的问题：部件每个区域需要哪种材料，这些材料又如何协同工作。这套基础设施为我们研究这些问题、发展专业知识、与工业伙伴探索新应用提供了平台。"AM4Plasma 项目首席研究员、副教授 Ashish Ganvir 表示。该项目正在开发新型等离子体发生器硬件。
铺粉装置的三组送粉仓在激光加工前将不同粉末沉积到一层的选定区域。图片由 AM4Plasma 研究组提供。
结合、缺陷与界面质量
将多种粉末并排放置引发了一系列问题：每种粉末对激光的反应如何，相邻材料之间能否形成可靠结合，特定的材料排布方式又如何影响部件的可制造性。研究领域包括激光与材料相互作用、熔化与凝固、材料界面的结合、开裂等缺陷，以及工艺条件与局部性能之间的关联。
大学指出，选择性粉末沉积本身并不能直接产出可靠的多材料部件，还需要相容的材料配对、合适的工艺参数和良好的界面，而厘清这些关系将是研究的核心。作为示例，大学描述了一种部件：其中一个区域设计用于承受强烈的热暴露，另一个区域则将热量导向冷却通道。这类面向等离子体的部件可用于未来的聚变能源和航空航天推进系统。
等离子体硬件之外的应用
AM4Plasma 为这套设备提供了一个初始应用场景，重点是等离子体发生器技术的多材料部件。"这套基础设施的长期意义不止于此。它为未来研究材料组合、制造工艺和多功能部件设计提供了平台。"Ganvir 说。该系统还将用于研究人员培训。
让异种金属在多材料粉末床熔融中实现结合
图尔库大学现在可以在同一层内铺设不同的粉末，但校方表示，要获得可靠部件所需的金属配对、工艺参数和界面条件仍有待确定。近期两项采用多金属 LPBF 的研究已经着手解决这一问题。在英国诺丁汉大学增材制造中心（CfAM），研究人员研究了 IN718 与 GRCop-42（美国国家航空航天局 NASA 开发的铜合金）在多材料 LPBF 中的界面取向问题，该合金可用于火箭燃烧室等部件。他们使用了配备舍弗勒（Schaeffler）旗下 Aerosint 铺粉装置的 Aconity MIDI + 打印机 —— 这一硬件组合与图尔库大学的情况类似。沉积顺序和铺粉方向会影响界面处的缺陷和合金混合情况，作者表示仍需进行力学测试。
CfAM 还主导了一项与英国原子能管理局（UK Atomic Energy Authority）合作的研究计划，旨在评估聚变等离子体面向等离子体部件中钨与铜之间过渡界面的质量 —— 传统连接方法往往会留下裂纹、空洞或残余应力。钨负责承受热量，铜负责将热量带走，这种分工与图尔库示例部件中 "面向热源" 和 "传导热量" 两个区域的分工如出一辙。
图尔库大学的新设备为研究铺粉之后的下一步 —— 让金属之间的结合牢固可靠 —— 增添了又一个研究团队。
来源：中国3D打印网编译文章！
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