Мультиматериальная 3D-печать: роль синтеза на подложке

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Мультиматериальная 3D-печать методом синтеза на подложке (СНП) представляет перспективный подход для создания изделий с локально варьируемыми свойствами. Однако технологические ограничения, связанные с различиями в физико-химических свойствах соединяемых материалов, и отсутствие системной классификации затрудняют развитие данной области. Разработана новая классификация мультиматериалов для СНП, которая включает три группы – однородные сплавы (на основе одного металла), разнородные свариваемые сплавы, разнородные несвариваемые сплавы. Исследованы особенности переходных зон для семи систем (ВТ6/ВТ1-0, AlSi10Mg/Al-Si-Mg-Cu, 316L/FeNi36, ВЖ159/БрХЦрТ В, Ti6Al4V/Inconel 718, 316L/NiTi). Установлено, что количество дефектов, микроструктура и фазовый состав переходной зоны определяются типом комбинации сплавов. Разработанная классификация позволяет систематизировать исследования, оптимизировать параметры печати, в том числе лазерных инструментов, и прогнозировать возможность возникновения проблем при создании новых мультиматериальных систем.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Арсений Вячеславович Репнин

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Автор, ответственный за переписку.
Email: repnin_arseniy@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-3157-3317

к. т. н., инженер лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций»

Россия, Санкт-Петербург

Евгений Владиславович Борисов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: evgenii.borisov@icloud.com
ORCID iD: 0000-0003-2464-6706

к. т. н., вед. науч. сотрудник лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций»

Россия, Санкт-Петербург

Анатолий Анатольевич Попович

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: director@immet.spbstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5974-6654

д. т. н., профессор, директор института машиностроения, материалов и транспорта

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Wagner A., Rogers H., Le A. Exploring New Frontiers in Multi-Material Additive Manufacturing. IEEE Eng Manag Rev. 2024;53(2):122–133. doi: 10.1109/EMR.2024.3412403
  2. Nazir A., Gokcekaya O., Md Masum Billah K., Ertugrul O., Jiang J., Sun J., Hussain S. Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials. Mater. Des. 2023;226:111661. doi: 10.1016/J.MATDES.2023.111661
  3. Hasanov S., Alkunte S., Rajeshirke M., Gupta A., Huseynov O., Fidan I., Alifui-Segbaya F., Rennie A. Review on Additive Manufacturing of Multi-Material Parts: Progress and Challenges. J.Manuf Mater Process. 2021;6(1):4. doi: 10.3390/JMMP6010004
  4. Sherpa B.B., Rani R. Advancements in explosive welding process for bimetallic material joining: A review. J. Alloy Metall Syst. 2024;6:100078. doi: 10.1016/J.JALMES.2024.100078
  5. Wang D., Sun X., Jiang Y., Chang X., Yonglei X. Review on the application of stainless-clad bimetallic steel in the marine environment. Anti-Corrosion Methods Mater. 2024;71(2):132–142. doi: 10.1108/ACMM-06-2023-2832
  6. Li G., Jiang W., Guan F., Zhang Z., Wang J., Yu Y., Fan Z. Preparation, interfacial regulation and strengthening of Mg/Al bimetal fabricated by compound casting: A review. J. Magnes Alloy. 2023;11(9):3059–3098. doi: 10.1016/J.JMA.2023.09.001
  7. Kavousi Sisi A., Ozherelkov D., Chernyshikhin S., Pelevin I., Kharitonova N., Gromov A. Functionally graded multi-materials by laser powder bed fusion: a review on experimental studies. Prog Addit Manuf. 2024;10:1843–1912. doi: 10.1007/s40964-024-00739-1
  8. Nandhakumar R., Venkatesan K. A process parameters review on selective laser melting-based additive manufacturing of single and multi-material: Microstructure, physical properties, tribological, and surface roughness. Mater Today Commun. 2023;35:105538. doi: 10.1016/J.MTCOMM.2023.105538
  9. Gunasekaran J, Sevvel P, Solomon IJ. Metallic materials fabrication by selective laser melting: A review. Mater Today Proc. 2021;37(2):252–256. doi: 10.1016/J.MATPR.2020.05.162
  10. Verma A., Kapil A., Klobčar D., Sharma A. A Review on Multiplicity in Multi-Material Additive Manufacturing: Process, Capability, Scale, and Structure. Mater. 2023;16(15):5246. doi: 10.3390/MA16155246
  11. Wei C., Li L. Recent progress and scientific challenges in multi-material additive manufacturing via laser-based powder bed fusion. Virt. and Phys. Prot. 2021;16(3):347–371. doi: 10.1080/17452759.2021.1928520
  12. Kolluri A. P. Multi-material additive manufacturing and future scope and expected progress. Multi-material Addit Manuf. Published online January 1, 2025:373–402. doi: 10.1016/B978-0-443-29228-6.00016-5
  13. Rafiee M., Farahani R. D., Therriault D. Multi-Material 3D and 4D Printing: A Survey. Adv Sci. 2020;7(12):1902307. doi: 10.1002/ADVS.201902307
  14. Borisov E., Polozov I., Starikov K., Popovich A., Sufiiarov V. Structure and properties of Ti/Ti64 graded material manufactured by laser powder bed fusion. Materials. 2021;14(20):6140. doi: 10.3390/MA14206140
  15. Fan H., Wang C., Tian Y., Zhou K., Yang S. Laser powder bed fusion (L-PBF) of Ti-6Al-4V/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo and Ti-6Al-4V/γ-TiAl bimetals: Processability, interface and mechanical properties. Mater. Sc. Eng. A. 2023;871:144907. doi: 10.1016/J.MSEA.2023.144907
  16. Sing S.L., Lam L. P., Zhang D. Q., Liu Z. H., Chua C. K. Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: Intermetallic phase formation between AlSi10Mg and C18400 copper alloy. Mater Charact. 2015;107:220–227. doi: 10.1016/J.MATCHAR.2015.07.007
  17. Marques A., Cunha Â., Gasik M., Carvalho O., Silva F. S., Bartolomeu F. Inconel 718-copper parts fabricated by 3D multi-material laser powder bed fusion: a novel technological and designing approach for rocket engine. Int J. Adv Manuf Technol. 2022;122(3–4):2113–2123. doi: 10.1007/s00170-022-10011-x
  18. Meyer I., Oel M., Ehlers T., Lachmayer R. Additive manufacturing of multi-material parts – Design guidelines for manufacturing of 316L/CuCrZr in laser powder bed fusion. Heliyon. 2023;9(8): e18301. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e18301
  19. Hengsbach F., Koppa P., Holzweissig M. J., Aydinöz M. E., Taube A., Hoyer K. P., Starykov O., Tonn B., Niendorf T., Tröster T., Schaper M. Inline additively manufactured functionally graded multi-materials: microstructural and mechanical characterization of 316L parts with H13 layers. Prog Addit Manuf. 2018;3(4):221–231. doi: 10.1007/S40964-018-0044-4
  20. Sefene E. M. State-of-the-art of selective laser melting process: A comprehensive review. J. Manuf Syst. 2022;63:250–274. doi: 10.1016/J.JMSY.2022.04.002
  21. Repnin A. V., Borisov E. V., Popovich A. A., Shamshurin A. I. Production of the VZh159-BrKhTsrT Multi-Material Using Selective Laser Melting Method. Russ J Non-Ferrous Met. 2024;65(2):122–131. doi: 10.1134/S1067821224600947
  22. Repnin A., Borisov E., Emelianov A. Popovich A. Fracture Toughness of Ti6Al4V/Cp-Ti Multi-Material Produced via Selective Laser Melting. Met. 2023;13(10):1738. doi: 10.3390/MET13101738
  23. Repnin A., Kim A., Popovich A. Interfacial Characterization of Selective Laser Melting of a SS316L/NiTi Multi-Material with a High-Entropy Alloy Interlayer. Cryst. 2023;13(10):1486. doi: 10.3390/CRYST13101486
  24. Repnin A., Borisov E., Maksimov A., Rozhkova D., Popovich A. Investigation of the 4D Multi-Material 316L/FeNi36 Obtained by Selective Laser Melting. Micromachines. 2024;15(11):1288. doi: 10.3390/MI15111288/S1
  25. Repnin A., Borisov E., Popovich A. Formation of the Cu+Nb Interlayer in the Inconel 718/Ti6Al4V Multi-Material Obtained by Selective Laser Melting. Mater. 2024;17(23):5801. doi: 10.3390/MA17235801

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Примеры мультиматериальных изделий, полученных методом СНП: а) мультиматериальная камера сгорания жидкостного ракетного двигателя, b) мультиматериальная шестерня

Скачать (386KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Возникновение пористости в переходной зоне мультиматериалов [21]: а) образование пористости при избыточной энергии, b) образование пористости при недостаточной энергии

Скачать (111KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Возникновение трещин в переходной зоне мультиматериалов [25]: а) образование трещин из-за наличия охрупчивающих интерметаллидов, b) отсутствие трещин из-за использования переходного слоя

Скачать (252KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение ширины переходной зоны [21, 25]: а) резкий переход от одного сплава к другому, b–c) градиентный переход от одного сплава к другому

Скачать (345KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Неэффективное использование переходных слоев для снижения дефектов (мультиматериала 316L/NiTi с переходным слоем из ВЭС–CoCrFeNiMn) [23]

Скачать (412KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Классификация мультиматериального аддитивного производства для процесса СНП

Скачать (176KB)
Метаданные

© Репнин А.В., Борисов Е.В., Попович А.А., 2025