無支撐金屬3D打印，南航給出新方案！

在金屬3D打印中，懸垂結(jié)構(gòu)一向被視為難以成型的特殊結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)參考注意到，南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團隊發(fā)明了一種面向無支撐懸垂結(jié)構(gòu)的雙激光增材制造成形設(shè)備及方法。

它通過分區(qū)差異化的打印策略，為提升懸垂結(jié)構(gòu)打印質(zhì)量提供了新思路，該技術(shù)于近日獲得國際發(fā)明專利（WO2026041117）。

專利設(shè)備的方法圖

懸垂結(jié)構(gòu)之所以打印困難，根本原因在于當(dāng)熔融金屬失去下方已凝固層的堅實支撐時，重力、反沖壓力以及表面張力會共同作用，導(dǎo)致材料向下塌陷進入周圍粉末床。隨著懸垂角度增大，殘渣、表面粗糙、孔隙率升高及幾何偏差等問題出現(xiàn)的概率會顯著增加。

行業(yè)內(nèi)最常見的是添加支撐結(jié)構(gòu)，但這意味著后處理時要切除支撐、且浪費金屬粉。近年來一種微激光粉末床熔融技術(shù)（μLPBF）開始興起，它通過減小光斑尺寸、降低層厚、使用更細的粉末提高了最小特征分辨率。但由于光斑小，打印效率極低，難以適用大規(guī)模生產(chǎn)。

微激光粉末床熔融技術(shù)打印的樣品

南航的研究人員借鑒了μLPBF技術(shù)，開發(fā)了雙激光分區(qū)無支撐打印懸垂技術(shù)。

在具體的操作過程中，切片軟件會將三維模型根據(jù)幾何特征劃分為"懸垂區(qū)域"與"支撐區(qū)域"，并分別為其生成獨立的切片模型，稱之為第一和第二切片數(shù)據(jù)。

控制器能夠根據(jù)3D打印切片軟件傳輸過來的第一、第二切片數(shù)據(jù)，對應(yīng)地規(guī)劃出切片成形打印文件。

在切片成形打印文件輸出的執(zhí)行指令的控制下，一路激光負責(zé)掃描支撐，一路負責(zé)掃描懸垂區(qū)域，從而實現(xiàn)差異化的工藝參數(shù)，為高效無支撐打印懸垂結(jié)構(gòu)帶來了新策略。

根據(jù)專利申請書披露，第一束微尺度激光只掃描懸垂區(qū)域，鋪粉時層厚10–15μm。其掃描光斑直徑10–40μm，激光功率25–75W，掃描速度900–1100mm/s，掃描間距50μm，采用層間90°旋轉(zhuǎn)的正交掃描策略。因為使用了低能量密度，能進行精細的熔池控制，從而有效抑制下表面塌陷與內(nèi)部缺陷。

第二束負責(zé)支撐區(qū)域的激光采用高效率參數(shù)，其光斑直徑為60–100μm，功率升至375–425W，掃描速度700–900mm/s，鋪粉層厚則為懸垂區(qū)域鋪粉厚度的n倍。

當(dāng)n為3時，每打印3層懸垂后，切換另一套激光振鏡打印一層支撐，如此循環(huán)往復(fù)。這樣的方法，能夠在確保懸垂區(qū)域成型質(zhì)量的同時，顯著提升打印件的成型效率。

除了更高的打印效率這一優(yōu)勢，該專利還指出，采用高功率大光斑的掃描非懸垂的支撐，可對懸垂與支撐的交界區(qū)域反復(fù)重熔，這有助于提升界面致密度與結(jié)合強度，即附著力，還能減少支撐與懸垂的分層風(fēng)險。

研究人員對比了采用傳統(tǒng)工藝和雙激光工藝打印件在懸垂與支撐交界區(qū)域的顯微金相，可以看出由于采用了更小的層厚，打印件匙孔更少，也更加致密。

使用傳統(tǒng)LPBF設(shè)備和雙激光策略成形的樣品對比

研究人員使用粒徑2–20μm粒度范圍的Al-Mg-Sc-Zr系鋁合金粉末進行了驗證。專利設(shè)定的可適用懸垂底面傾角范圍為10°–40°，試圖解決金屬3D打印中鋁合金"無支撐打印"這一長久以來的難題。

專利中的實施案例看起來效果不錯，但還是還存在一些疑問。案例中所使用的粉末粒徑粒度范圍為2–20μm，采用10–15μm的鋪粉厚度，而常規(guī)粉末粒度多為15-53μm，這種情況下該路線是否仍匹配？

總的來說，這項技術(shù)通過理解物理機制，將工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)分離，技術(shù)邏輯清晰、問題導(dǎo)向明確，為金屬3D打印突破懸垂瓶頸提供了"按需調(diào)整掃描策略"的新思路。

而如果要將其集成到商業(yè)設(shè)備上，可能還需要針對不同材料進行掃描參數(shù)優(yōu)化，常規(guī)粒徑問題給薄層鋪粉帶來的影響有多大也需要仔細研究。

在對表面完整性與疲勞性能要求嚴(yán)格的航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，無支撐3D打印有著現(xiàn)實的需求。"關(guān)鍵區(qū)域高精度、非關(guān)鍵區(qū)域高效率"，已經(jīng)不只有設(shè)備商在努力，如能和研究界攜手，或能帶來更大價值。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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