张晓伟课题组在多材料增材制造领域取得新进展

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昆明理工大学材料科学与工程学院、金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程实验室张晓伟课题组在多材料激光增材制造除烟除尘结构设计及粉体快速混合机理研究中取得了新进展。相关研究成果分别以“Structural design of a novel fumehood for vapor and spatter removal in directed energy deposition via numerical investigation”和“Structural design, numerical examination andexperimental approach of the multi-powder mixer for directed energy deposition为题发表在Additive Manufacturing（中国科学院文献情报中心期刊分区表：1区TOP, IF=10.998）和Powder Technology（中国科学院文献情报中心期刊分区表：2区TOP, IF=5.134）上。昆明理工大学均为第一完成单位，昆明理工大学材料科学与工程学院张晓伟副教授为通讯作者。张晓伟副教授、硕士研究生韩一博分别为第一作者。学校多名研究生参加研究工作。该研究成果得到了中国国家留学基金、云南省高层次人才培养支持计划“青年拔尖人才”专项等资助。
         激光增材制造的实质是微小激光熔池在三维空间内的无限堆积，这一数字化制造技术改变了传统制造技术的理念和模式，有望革新制造业的设计制造全流程，被业界称为引领“第三次工业革命”的未来智能制造技术。作为激光增材制造的主流技术之一，基于同轴送粉的定向能量沉积增材制造在制造和成形高性能复杂结构件方面潜力巨大，可用于航空航天、生物医疗和新能源等领域。
          在定向能量沉积增材制造过程中，熔池周围产生的烟尘和飞溅对产品的成形质量和综合性能优劣有着决定性的影响。因此，如何有效去除增材制造过程中的烟尘和飞溅成为该领域的研究热点。为解决这一问题，团队基于计算流体动力学方法和激光粉末床熔化的增材制造工艺，设计并制备出用于定向能量沉积工艺且具有特殊复杂内流道结构的除烟除尘罩（如图1所示）。论文对不同结构除烟除尘罩内惰性气流进气和出气模块所形成的流场特征及原因，从气流速度大小、气流运动方向的矢量变化以及气流速度分布规律等多个角度进行了深入剖析，揭示了除烟除尘罩结构与其流场特征和稳定性之间的内在关系，并结合灯焰实验对模拟结果进行了验证。研究成果证实了所设计的除烟除尘罩不仅可以有效去除定向能量沉积增材制造过程中产生的烟尘和飞溅，而且可以有效保护熔池不被氧化，实现了开放环境下高性能复杂结构件的定向能量沉积增材制造，大幅降低增材制造成本。

图1. 除烟除尘罩结构的组合设计及其流场仿真效果图

        此外，目前多材料激光增材制造的研究普遍采用先混粉再成形的两步法，无法满足多材料快速制备与精确成形的迫切需求。为突破这一瓶颈，团队提出材料组分三维精确可控的定向能量沉积增材制造新思路，初步建立起粉末“流化-雾化”混合理论体系（如图2所示）。为进一步有效实现多材料组成与结构的精确调控，论文基于粉末“流化-雾化”混合设想，设计并制备出可实现三种粉末快速混合功能的三路进粉双路出粉式混粉器。借助计算流体动力学方法，从多维度探明了混粉器内的流场规律以及气固两相耦合流场的特征。在此基础上，结合粉末混合效果评价实验，揭示了粉末“流化-雾化”有效混合涡旋机制。研究成果不仅实现了粉末混合与高性能大型复杂结构件打印过程的同步，而且促进了功能梯度材料、复合材料、新材料设计、高通量材料制备等多材料激光增材制造技术的快速发展。
本研究通过揭示气流混合涡旋的起源和演化规律，为理解受限射流与粉末“流化-雾化”过程及其与混粉器结构间的关联提供了较为系统的证据。更重要的是，该研究拓展和丰富了人们对多材料增材制造理论与技术的认识。

        图2. 多材料增材制造用混粉器的结构设计及其粉体快速混合机理示意图

        全文参见：Structural design of a novel fumehood for vapor and spatter removal in directed energy deposition via numericalinvestigation (Additive Manufacturing) https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101704
        全文参见：Structural design,numerical examination and experimental approach of the multi-powder mixer fordirected energy deposition (Powder Technology)https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117144


          文章来源：昆明理工大学