在過去的三十多年中，金屬增材制造技術(shù)（俗稱金屬3D打�。┛焖侔l(fā)展，正深刻變革著航空航天、汽車、國防、化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域。激光粉末床熔融增材制造（亦被稱作激光選區(qū)熔化）是其中最廣泛使用的技術(shù)之一。然而，迄今為止，學(xué)術(shù)界對激光-物質(zhì)相互作用的認(rèn)識還不夠深刻，對激光熔化模式的定義仍然很模糊、尚未達(dá)成共識，這使得制造無缺陷、微觀結(jié)構(gòu)可控的構(gòu)件仍有困難，限制了激光粉末床熔融增材制造行業(yè)的進(jìn)一步突破。

圖1 金屬激光增材制造中的熔化模式(a)熔化模式定義的物理基礎(chǔ)；(b)-(c)基于靜態(tài)剖析的定義；(d)基于動態(tài)過程的定義

清華大學(xué)機(jī)械工程系研究人員在國際物理學(xué)界權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評論》（Reviews of Modern Physics）上發(fā)表了關(guān)于金屬激光增材制造激光熔化模式的綜述論文（Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing）。

圖2 金屬粉末激光熔化物理過程

作者首先闡述了金屬激光粉末床熔融增材制造中的一般物理過程，著重強(qiáng)調(diào)了兩個關(guān)鍵耦合現(xiàn)象：熔化和汽化，匙孔前壁液態(tài)突出物和匙孔失穩(wěn)。這些物理現(xiàn)象驅(qū)動了熔池和匙孔的形貌演化，是激光熔化模式定義的基石。

圖3 基于打印件金相分析熔化模式

圖4 基于過程可視化研究熔化模式

之后，根據(jù)熔池和匙孔的表征測量方法，作者將激光熔化模式分為兩類（圖1）。第一類基于靜態(tài)的事后金相剖析，而第二類基于原位、動態(tài)的過程可視化。相比而言，基于過程可視化的定義更加嚴(yán)謹(jǐn)、更具物理意義，為金屬激光粉末床熔融增材制造提供了新的生產(chǎn)指導(dǎo)原則和新的研究方向。

圖5 多信息轉(zhuǎn)錄與知識轉(zhuǎn)移

作者強(qiáng)調(diào)了匙孔的重要性，并指出基于穩(wěn)態(tài)匙孔熔化模式的增材制造更加高效、可持續(xù)、穩(wěn)健。而這個設(shè)想的實(shí)現(xiàn)將依賴于多物理模型、多信息轉(zhuǎn)錄（如圖5）以及跨平臺跨尺度過程計量的發(fā)展。

圖6 金屬激光粉末床熔合工藝圖示意圖

圖7激光熔化的同步x射線成像

論文引用：

Cang Zhao*, Bo Shi, Shuailei Chen, Dong Du, Tao Sun, Brian J. Simonds, Kamel Fezzaa, and Anthony D. Rollett, Laser melting modes in metal powder bed fusion additive manufacturing. Reviews of Modern Physics 94, 045002 (2022).

doi: 10.1103/RevModPhys.94.045002

清華大學(xué)機(jī)械工程系助理教授趙滄為該論文的獨(dú)立第一作者和獨(dú)立通訊作者。作者還包括清華大學(xué)機(jī)械工程系都東教授、2021級博士研究生師博、2019級本科生陳帥雷，美國弗吉尼亞大學(xué)孫韜副教授、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院布萊恩·西蒙茨（Brian Simonds）研究員、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室卡邁勒·費(fèi)扎（Kamel Fezzaa）研究員和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)安東尼·羅萊特（Anthony Rollett）教授。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)-帝國理工學(xué)院科研創(chuàng)新種子基金等經(jīng)費(fèi)的資助。

轉(zhuǎn)自：增材制造碩博聯(lián)盟

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