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激光粉末床融合多材料增材制造的最新进展和科学挑战（3）( 二 )



SLM过程中飞溅产生的示意图 。 （a）一束激光正在工作 ， 熔池上方的感应反冲压力产生粉末和液滴飞溅 。 （b）两个激光束紧密工作 ， 产生更多飞溅 。
金属粉末混合物中一种金属的低激光吸收率可能导致多材料L-PBF工艺中未熔合 。 Oliveira、Lalonde和Ma（2020）提出了减少填充距离或层厚度的建议 ， 以增加激光束穿透深度 ， 并抑制因未熔合而导致的缺陷 。
5.1.4. 金属陶瓷元件L-PBF面临的挑战
【激光粉末床融合多材料增材制造的最新进展和科学挑战（3）】陶瓷是由金属和非金属元素组成的固体化合物 。 它类似于具有晶粒聚集体、晶粒和晶界的金属 。 然而 ， 它们与金属有着根本的不同：它们不包含大量的自由电子 ， 通过离子键、共价键或这两者的高度稳定组合而合并 。 因此 ， 通过L-PBF加工金属-陶瓷复合粉末具有挑战性 ， 因为金属和陶瓷的晶体结构不同 ， 导致熔点差异很大 。 陶瓷晶体的强键会使元素扩散极其困难 。 它们的热膨胀系数相差很大 ， 导致陶瓷侧的接头和裂纹处产生显著的热应力 。 粘结表面上的脆性和玻璃相削弱了陶瓷性能 。

热循环前的显微镜图像Al6082-SiO2测试零件 。
研究人员已成功地将超快激光用于陶瓷和玻璃的焊接 。 因此 ， 使用超快激光作为L-PBF的能量输入可能有助于实现金属-陶瓷零件的直接打印 。 此外 ， 将AM方法与其他加工方法相结合也是处理金属-陶瓷材料的解决方案 。
5.1.5. 金属-聚合物组件L-PBF面临的挑战
混合金属/聚合物混合物的L-PBF面临的挑战是如何避免低熔点聚合物粉末的分解和气化 。 产生的烟雾对金属熔池产生不利影响 。 解决这一问题的策略之一是使用熔点尽可能相似的金属和聚合物粉末 。 此外 ， 在部件设计中 ， 金属和聚合物部件设置在一定的距离 ， 以避免由于熔融金属热影响区的高温导致聚合物的热分解 。 将L-PBF与其他AM方法集成也是一种替代解决方案 。 这种混合AM处理可以逐步实现 。 首先 ， 使用L-PBF打印高熔点的金属零件 。 然后 ， 将半成品放入SLA设备中 ， 以打印低熔点聚合物 。 这种方法的缺点是SLA的加工自由度可能会受到预成形金属零件的限制 。

（a） 15倍拉伸比的PP/MMT/LMPA纤维的纳米CT图像 ， 绿色带为LMPA ， 蓝色区域为PP基质46 。 （b） LMPA导电填料和环氧树脂的图像 。
5.2. 其他技术挑战
5.2.1. 废旧粉末混合物的回收
异种粉末的交叉污染是多材料L-PBF工艺中难以避免的常见问题 ， 这将增加材料的制造成本 。 虽然与使用刀片的盲撒粉相比 ， 选择性粉末沉积具有更高的粉末利用率和相应的更少污染的粉末 ， 但在加工过程中用作支撑材料的未熔化粉末仍然会导致一定量的粉末交叉污染 。 受污染的粉末不能直接重复使用 ， 因为它会降低材料性能并导致微观结构缺陷 。 因此 ， 根据所用粉末材料的物理特性差异 ， 开发一种合适的方法来从所用粉末材料中分离污染物至关重要 。
Seidel 等（2018）证明了通过磁性方法分离工具钢（X3NiCoMoTi18-9-5）粉末和铜合金（CuCr1Zr）粉末 。
Chivel描述了将具有不同粒度分布的不同粉末材料用于多种材料AM并通过筛分重复使用粉末的原理 。
Woidasky描述了一套基于材料流动性的材料分离技术 。 粉末材料的球形度和表面粗糙度显著影响粉末颗粒的流动性 。 因此 ， 可以根据不同形状和粗糙度的粉末材料的流动性来分离不同的粉末材料（例如 ， 将球形粉末和不规则形状的粉末一起使用） 。
如果粉末材料具有相似的粒度分布 ， 但具有不同的材料密度 ， 则各种材料的颗粒质量范围可能不同 。 在这种情况下 ， 粒子惯性法可用于分离粉末材料 。

（a） 15倍拉伸比的PP/MMT/LMPA纤维的纳米CT图像 ， 绿色带为LMPA ， 蓝色区域为PP基体 。 （b） LMPA导电填料和环氧树脂的图像 。
5.2.2. 建模和仿真挑战
基于上述综述 ， 目前的多材料L-PBF过程建模通常涉及介观尺度的热力学模拟 ， 揭示了多材料L-PBF过程中的熔池发展 。
所有微观建模方法都需要通过宏观或介观建模获得热历史信息（包括温度、冷却速率和温度梯度） 。 因此 ， 准确预测多材料L-PBF的热历史至关重要 。 获得准确热历史的一个重要不确定性与高温范围内的材料特性有关 。 这些特性包括材料密度、比热、表面张力系数、粘度、激光吸收率、热导率以及材料熔化和汽化的潜热 。 目前 ， 关于混合材料普遍物理性质的实验数据还不够充分 。 这妨碍了在介观和微观尺度上准确预测多材料L-PBF结果的校准建模 。

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