北京
專題文章（二）
作者簡介
楊永強
教授、博導
任廣東省增材制造協會會長，廣東省大灣區激光與增材制造產業技術創新聯盟副理事長兼秘書長
長期深耕3D打印增材制造裝備與技術研發，歷年來承擔和參加國家重點領域研發計劃、國家自然重點基金等國家省市級科研項目85項
發表有關學術論文340余篇。授權發明專利100余項，美德日專利6項
作者簡介
宋長輝
華南理工大學
研究員、博導
國家青年人才、廣東省特支人才、廣州市創業領軍人才、廣東省增材制造協會副會長等
獲中國專利獎優秀獎、廣東省科技進步獎二等獎、北京市技術發明獎二等獎等多項獎勵
長期從事激光增材制造裝備—多尺度形性調控—功能結構件設計與應用等方面研究工作
黃俊斐, 宋長輝, 方鵬飛, 陳推新, 嚴仲偉, 楊永強, 王迪, 韓昌駿. 激光粉末床熔融裝備與工藝發展[J]. 制造技術與機床, 2025(10): 48-64.
DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2025.10.003
黃俊斐 宋長輝 方鵬飛 陳推新 嚴仲偉 楊永強 王迪 韓昌駿
（華南理工大學機械與汽車工程學院）
研究背景和目的
激光粉末床熔融（LPBF）是金屬增材制造領域的核心技術，廣泛應用于航空航天、生物醫療、工業模具等領域，當前正朝著大尺寸、高效率、高精度、高性能方向發展。但該技術仍面臨零件內部缺陷（未熔合、球化等）、殘余應力累積、熱歷史控制困難等瓶頸，限制了其在關鍵零部件制造中的應用。本研究旨在系統分析現階段LPBF先進裝備技術（光束整形、多光束復合等）與成形工藝（無支撐打印、多場輔助等），總結各類技術的優缺點，為LPBF技術的進一步優化與工業化應用提供參考，同時展望未來發展方向。
亮 點
① 全面覆蓋LPBF技術體系，首次系統整合6類先進裝備技術（光束整形、多光束分區拼接、同幅面多光束復合等）與4類創新工藝（無支撐打印、層間改性等），形成“裝備-工藝”協同發展的分析框架；
② 聚焦技術融合創新，重點闡述光束整形與多光束技術、在線監測與機器學習、多場輔助與層間改性的交叉應用，凸顯技術集成優勢；
③ 兼顧實驗驗證與仿真模擬，既呈現大量工藝參數優化、性能測試的實驗結果，又納入有限元分析、流體動力學模擬等數值方法，強化結論的科學性與可靠性。
方 法
采用文獻綜述與技術分析相結合的方法，綜合梳理近年來LPBF領域的關鍵研究成果：
① 裝備技術層面：分析各類光學系統（光束整形器、光學尋址光閥等）、多光束配置、多材料鋪粉裝置及在線監測設備的設計原理與應用方式；
② 工藝優化層面：探討激光參數調控（功率、掃描速度等）、掃描策略設計（分區掃描、重熔掃描等）、外場輔助（磁場、超聲）及氣氛調控的實施路徑；
③ 性能評估與預測層面：整合實驗測試（致密度、拉伸強度、顯微硬度檢測）、數值仿真（熔池動態、應力場模擬）及機器學習模型（卷積神經網絡、聚類集成回歸）的應用方法。
結 果
① 裝備技術成效：光束整形技術可使316L零件生產效率提升44%，致密度保持99%以上；多光束分區拼接技術將大尺寸零件成形效率提高2-4倍，四激光配置使殘余應力降至44.1MPa；區域3D打印技術使殘余應力下降90%以上，幾乎無飛濺；在線監測技術對缺陷識別的平均交并比達91.11%以上；
② 工藝優化成效：無支撐打印實現18mm跨度懸垂結構成形，致密度達99.96%；層間改性工藝使Ti6Al4V抗拉強度提升至1303MPa；多場輔助成形使AlSi10Mg合金致密度顯著提高，晶粒細化；
③ 預測與優化成效：機器學習模型對孔隙檢測的平衡準確率超90%，對致密度預測的平均絕對誤差低至0.0108，實現工藝參數的高效優化。
結 論
LPBF技術正穩步向大尺寸、高效率、高精度、高性能方向演進，先進裝備與創新工藝的協同發展是突破技術瓶頸的關鍵。光束整形、多光束復合等裝備技術解決了成形效率與質量的核心矛盾，無支撐打印、多場輔助等工藝強化了零件性能調控能力，在線監測與機器學習為技術智能化提供了支撐。當前技術仍面臨光學元器件成本高、多材料界面結合不足、外場輔助穩定性待提升等問題，未來需通過“裝備-工藝-智能算法”的深度整合，開發低成本、高精度核心部件，優化多材料成形與缺陷控制技術，推動LPBF技術向智能化、定制化、工業化方向全面發展。
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