香港
在金屬3D打印中，懸垂結構一向被視為難以成型的特殊結構。3D打印技術參考注意到，南京航空航天大學顧冬冬教授團隊發明了一種面向無支撐懸垂結構的雙激光增材制造成形設備及方法。
它通過分區差異化的打印策略，為提升懸垂結構打印質量提供了新思路，該技術于近日獲得國際發明專利（WO2026041117）。
專利設備的方法圖
懸垂結構之所以打印困難，根本原因在于當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的概率會顯著增加。
行業內最常見的是添加支撐結構，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（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，難以適用大規模生產。
微激光粉末床熔融技術打印的樣品
南航的研究人員借鑒了μLPBF技術，開發了雙激光分區無支撐打印懸垂技術。
在具體的操作過程中，切片軟件會將三維模型根據幾何特征劃分為"懸垂區域"與"支撐區域"，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據。
控制器能夠根據3D打印切片軟件傳輸過來的第一、第二切片數據，對應地規劃出切片成形打印文件。
在切片成形打印文件輸出的執行指令的控制下，一路激光負責掃描支撐，一路負責掃描懸垂區域，從而實現差異化的工藝參數，為高效無支撐打印懸垂結構帶來了新策略。
根據專利申請書披露，第一束微尺度激光只掃描懸垂區域，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部缺陷。
第二束負責支撐區域的激光采用高效率參數，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域鋪粉厚度的n倍。
當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，如此循環往復。這樣的方法，能夠在確保懸垂區域成型質量的同時，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域反復重熔，這有助于提升界面致密度與結合強度，即附著力，還能減少支撐與懸垂的分層風險。
研究人員對比了采用傳統工藝和雙激光工藝打印件在懸垂與支撐交界區域的顯微金相，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LPBF設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，這項技術通過理解物理機制，將工藝參數與結構分離，技術邏輯清晰、問題導向明確，為金屬3D打印突破懸垂瓶頸提供了"按需調整掃描策略"的新思路。
而如果要將其集成到商業設備上，可能還需要針對不同材料進行掃描參數優化，常規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格的航空航天、醫療器械等領域，無支撐3D打印有著現實的需求。"關鍵區域高精度、非關鍵區域高效率"，已經不只有設備商在努力，如能和研究界攜手，或能帶來更大價值。
注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。
歡迎轉發
1.
2.
3.
4.
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網易號”用戶上傳并發布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
