導(dǎo)讀：3D打印技術(shù)為改變工業(yè)生產(chǎn)帶來了新的機(jī)會，例如大量零件整合實現(xiàn)一體化制造、高效率快速制造、更為復(fù)雜和極限的結(jié)構(gòu)特征制造等。然而，當(dāng)前絕大多數(shù)工藝仍只能在一個過程中生產(chǎn)一種材料，尤其對于粉末床激光熔融工藝（L-PBF/SLM），因此限制了進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能。本篇文章通過一個散熱器案例來描述使用SLM工藝進(jìn)行多材料設(shè)計和制造的潛力，從而實現(xiàn)組件更高性能，所使用的技術(shù)來源于Aerosint technology，與Fraunhofer IAPT合作完成。

Aerosint自2016年成立以來一直在開發(fā)選擇性粉末沉積(SPD)技術(shù)，該技術(shù)可選擇性沉積兩種(或更多)粉末，形成厚度可調(diào)的單獨粉末層，能夠應(yīng)用到幾乎所有基于粉末床的增材制造工藝中，包括激光粉末床熔融和粘結(jié)劑噴射（已被Desktop Metal收購）。

多材料解決方案的應(yīng)用可以是多樣化的，并將隨著對新材料的驗證而增長。該公司的技術(shù)方案目前已經(jīng)成功應(yīng)用于SLM技術(shù)，并計劃將集成到Desktop Metal的P1機(jī)器中。2022年，Aerosint還推出了一種無粘結(jié)劑的“壓制和燒結(jié)”方法，使用選擇性粉末沉積制造多材料部件。在這個過程中，使用SPD技術(shù)將多種粉末填充在模具中，然后進(jìn)行壓制和燒結(jié)，這使得制造金屬-陶瓷部件成為可能。

除了提供選擇性粉末沉積技術(shù)，Aerosint還提供SLM和BJ機(jī)器的研發(fā)服務(wù)，幫助企業(yè)尋找和開發(fā)多材料應(yīng)用。在本案例研究中，Aerosint與Fraunhofer IAPT（弗勞恩霍夫增材制造技術(shù)研究所）進(jìn)行了增材制造技術(shù)的合作，重點涉及這項技術(shù)的工業(yè)化和相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，以實現(xiàn)全新高效的產(chǎn)品生產(chǎn)。

多材料SLM打印
激光參數(shù)和掃描路徑優(yōu)化

弗勞恩霍夫增材制造技術(shù)研究所開發(fā)了一個具有多材料的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的散熱器，其具有高度復(fù)雜的幾何形狀，極大減輕了重量，改善了熱性能并降低了壓降。由于傳統(tǒng)技術(shù)不可能生產(chǎn)如此復(fù)雜的幾何形狀，增材制造成為首選工藝。

在設(shè)計階段考慮了SLM工藝所特有的激光高精度和精細(xì)粉末能夠創(chuàng)建復(fù)雜、高細(xì)節(jié)特征的制造特點，并規(guī)劃了激光路徑和光斑直徑，以保證良好的可制造性。

多材料散熱器由高強(qiáng)度、耐腐蝕的316L不銹鋼外殼和高延展性的CuCrZr銅合金制成，內(nèi)部具有珊瑚狀核心。所選銅合金的導(dǎo)熱系數(shù)是AlSi10Mg鋁合金的2倍、316L不銹鋼的16倍，導(dǎo)熱效果明顯高于其他常見材料。而且，銅基合金是密閉空間散熱應(yīng)用必不可少的材料。

多材料構(gòu)件打印過程

為了能夠使用SLM技術(shù)實現(xiàn)多材料3D打印，Aerosint的選擇性粉末沉積(SPD)系統(tǒng)被安裝在Aconity3D 公司的MIDI+機(jī)器上。作為雙缸單材料鋪粉的替代方案，Aerosint的SPD系統(tǒng)的鋪粉機(jī)構(gòu)由兩個可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓組成，可攜帶不同粉末，如金屬、陶瓷和聚合物?？稍跇?gòu)建區(qū)域內(nèi)不同位置上選擇性的沉積不同類型的粉末，鋪設(shè)速度可達(dá)50毫米/秒，最小區(qū)域尺寸約為0.5×0.5mm。材料可以單獨或連續(xù)掃描，可選擇不同的掃描策略，優(yōu)化的激光參數(shù)可將兩種不同的金屬粉末融合在一起，確保在界面處有足夠的冶金結(jié)合。

3D打印技術(shù)參考注意到，配備SPD系統(tǒng)的Aconity MIDI+打印機(jī)的構(gòu)建尺寸目前限制在140×96mm。

在本文案例中使用的兩種不同的材料——CuCrZr合金和316L不銹鋼——具有明顯不同的性能。CuCrZr合金是一種純度較高的銅合金，對紅外激光的吸收非常低，因此需要大量的能量輸入才能形成穩(wěn)定的熔池。如此高的能量輸入會導(dǎo)致316L不銹鋼過熱和汽化，因此有必要應(yīng)用不同的加工參數(shù)，并依次熔化它們。零件打印之后需要噴砂，以實現(xiàn)所需的表面質(zhì)量。

多材料構(gòu)件的熱處理

為了達(dá)到高導(dǎo)熱性，通常必須進(jìn)行后熱處理。Aerosint之前的研究表明，在520°C下保溫1小時，爐冷后CuCrZr合金的熱導(dǎo)率增加了兩倍。在時效過程中，CuCrZr合金中過飽和(Cu)基體上會析出顆粒，達(dá)到彌散強(qiáng)化和提高導(dǎo)熱性的雙重目的。一般情況下，該時效溫度和保溫時間位于316L不銹鋼去應(yīng)力熱處理的窗口內(nèi)。因此，嚴(yán)格來說，對于本案例中多材料構(gòu)件并沒有必要進(jìn)行額外的熱處理步驟。

鋁制散熱器平均溫度(59.3°C)明顯高于多材料散熱器52.1°C

但3D打印技術(shù)參考也查詢到，一般雙金屬材料加工而成的零件均需要進(jìn)行熱處理來穩(wěn)定形狀和尺寸，不同的熱處理工藝過程對零件的性能影響較大。通過熱處理使溫度敏感的雙金屬零件達(dá)到尺寸和性能穩(wěn)定的方法，稱為穩(wěn)定處理。針對雙金屬零件的具體組成材料、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及具體的工作環(huán)境，會需要不同的熱處理手段。

結(jié)論

由Fraunhofer IAPT開發(fā)并使用多材料3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化散熱器，證明了多材料SLM技術(shù)可以制造具有更高性能的組件。

這種創(chuàng)新的散熱器將為汽車和航空航天行業(yè)的苛刻應(yīng)用提供新解決方案。散熱和節(jié)省空間至關(guān)重要，該方案可以提高電子部件的性能和使用壽命。此外，在一種工藝中生產(chǎn)這種多材料、多功能組件顯著縮短了交貨時間，降低了生產(chǎn)成本。

創(chuàng)新的多材料SLM金屬3D打印工藝不僅可以通過使用不同的材料調(diào)整特定區(qū)域的性能，還可以制造復(fù)雜的幾何形狀。因此，這將為產(chǎn)品帶來更高的價值，同時降低生產(chǎn)成本。