鲁汶大学（KU Leuven）的一个研究团队展示了金属增材制造行业多年来一直追求的一项能力：在构建过程中，无需依赖打印后的热处理，即可在单个打印部件内部局部影响其微观结构。这一结果表明，多激光粉末床熔融（LPBF）的作用远不止于提高产量。

几何问题已解决，微观结构问题尚未解决

      激光粉末床熔融在很大程度上已经实现了其在几何形状方面的承诺：近净成形、内部通道和拓扑优化结构。关于几何自由度的论证已经很充分，并被广泛接受。我们都知道，更困难的问题是，这些形状内部的材料会发生什么变化。

微观结构决定了金属部件的性能。想想强度、延展性、疲劳寿命和耐腐蚀性。这些不是几何属性，而是材料属性。在激光粉末床熔融（LPBF）中，这些属性在很大程度上受材料在打印过程中经历的热历史所支配，而直到最近，这种热历史一直是制造商被动承受而非主动设计的。

      这种影响在双相和超级双相不锈钢中尤为明显，这些材料因其强度和耐腐蚀性的结合而备受石油天然气、化工处理和海洋工程应用的青睐。其性能依赖于精心平衡的微观结构：大致等量的铁素体和奥氏体。但LPBF固有的高冷却速率几乎完全抑制了奥氏体的形成。结果是，在打印状态下，部件主要是铁素体组织，强度高但脆性大，且耐腐蚀性能受损。打印后的炉内热处理一直是获得正确微观结构的唯一实用途径，但这会增加成本、时间和变形风险，并且关键的是，它会在整个部件上产生均匀的微观结构，而工程师实际需要的是局部改变材料性能的能力。"炉子会给整个部件带来均匀的微观结构。但这从来都不是工程师真正需要的。"

解决该问题的首次尝试

     研究人员并没有在这个问题上无所作为。先前的研究表明，在LPBF打印过程中实现一定程度的微观结构控制是可能的，例如调整工艺参数以改变冷却速率、利用热梯度来引导晶粒形态，或在严格控制的条件下调整简单合金中的相比例。但这些方法都面临着同样的局限：空间分辨率有限、跨材料可移植性差，并且几乎没有证据表明它们可以扩展到工业相关的零件尺寸或构建速率。

     超级双相不锈钢，正因其微观结构对热历史如此敏感且对性能至关重要，已被证明特别难以攻克。这种最需要原位微观结构控制的材料，却一直是最难实现的。这仍然是一个挑战，直到最近鲁汶大学发表的一项研究，在先前的基础上迈出了实质性的一步。

当第二台激光器成为冶金学家

        在寻找解决方案的过程中，鲁汶大学的团队发现答案已经在机器上了。多激光LPBF如今在生产中已很常见，但迄今为止，其额外的光束仅用于提高打印速度。多台激光器并行工作，通过同时处理平台的不同区域来减少构建时间。这意味着，第二台激光器主要被用作提高生产力的工具，而不是用于材料的工程工具。

      鲁汶大学的研究团队有不同的看法。他们的方法发表在2025年10月的《增材制造》期刊上，采用了一种双激光配置，其中第二台激光器作为后续热源。它跟随主熔化激光器，以受控的偏移距离对刚刚凝固的材料进行再加热，使其在进一步冷却之前达到一个精确的温度窗口。对于超级双相不锈钢，临界窗口是800–1200°C，这是奥氏体可以从最初的铁素体结构中形核并生长的温度范围。将材料在该窗口中的停留时间延长足够长，原位相变就会发生，无需炉子。这个概念并非全新的：先前文献中已有关于使用后续激光器进行原位热处理的研究，但三个因素使其不切实际。首先，热动力学极其复杂，后续激光功率、偏移距离、光束尺寸、扫描速度以及材料中由此产生的热轨迹之间的关系是高度非线性的，参数空间实际上是无限的。其次，如果没有一种计算方法来预先筛选该参数空间，寻找可行设置的实验成本是 prohibitive。第三，即使在物理上配备了两台激光器的机器上，定义真正自定义的同步扫描策略（矢量级地指定两个光束如何相互关联）的软件基础设施，根本无法获得。鲁汶大学的研究直接解决了这些问题中的每一个。

先建模，后打印

第一个挑战，即导航参数空间，是通过解析方法解决的。该团队采用了一个基于Goldak双椭球热源的快速热模型，来计算候选的后续激光功率和偏移距离组合如何影响材料不同深度处的温度场。至关重要的是，该模型根据单道扫描的实验熔池测量结果进行了校准，然后用于生成工艺图，显示哪些参数组合能最大限度地延长在800–1200°C窗口内的停留时间，不仅是在表面（反正下一层会被重熔），而是在整个构建过程中会保留下来的深度处。

这种方法将原本需要大量实验的工作压缩成了有针对性的搜索。数千种参数组合通过计算进行了筛选；少数有希望的候选方案被用于实验验证，首先在单道，然后在8毫米的立方体样本上进行。但是，将这些参数转化为实际的同步双激光构建策略，需要机器标准界面无法提供的东西。

控制激光意味着拥有工具路径

       解决第三个挑战，即软件访问，需要一种不同的基础设施。用于研究的机器是Prima Additive PrintGenius 150双激光设备。但是，执行这项研究所要求的这种同步的、参数特定的策略，需要的软件必须在矢量层面操作，为每条单独的扫描路径指定哪台激光器发射、以何种功率、在什么时间，以及它与并行的光束之间的关系。这种级别的访问无法通过标准机器界面实现，也无法通过附加在封闭系统上的客户API实现。它需要一个从底层起就真正开放且可编程的构建准备环境。在实践中，这意味着两件事。首先，微秒级的实时激光协调，即决定机器如何实际执行扫描策略的快速控制层。其次，脚本化完全自定义工具路径的能力：定义后续激光偏移、同步矢量计时以及主次光束路径之间的依赖关系，从而允许一台激光器精确地跟随另一台。

       对于鲁汶大学团队来说，这两者都是由Materialise控制平台和构建处理器SDK提供的，研究人员在已发表的论文中直接承认，这些工具是使实验工作成为可能的核心。快速控制操作在Materialise控制平台（MCP）上运行，该平台是管理微秒级实时激光协调的硬件和软件层。在此基础上，Materialise构建处理器SDK（BP-SDK）使研究团队能够定义完全自定义的双激光扫描策略，包括后续激光偏移、同步矢量计时以及实验矩阵所需的主次光束路径之间的依赖关系。

如果没有这种开放、可编程的软件层，研究将会在硬件层面停滞。MCP和BP-SDK并非研究的辅助部分，而是弥合了材料科学假设与真实机器上可执行构建策略之间的差距。

实验证明了什么

     通过调整后续激光的功率和偏移，该团队可以在整个实际相关的微观结构范围内调控奥氏体含量，从高速单激光条件下的0%到使用优化双激光设置时的48%，这是在超级双相不锈钢上未曾展示过的过程控制水平。

铁素体（蓝色）和奥氏体（红色）相图，证实奥氏体含量从接近0%到48%。图片来源：鲁汶大学。

       结果还揭示了一个关于硬度的意外发现。即使在奥氏体总含量仅略有变化的样品中，与等效的单激光构建相比，双激光加工也导致硬度大幅下降。来自第二激光器的原位再加热似乎不仅仅促进奥氏体形成：它还改变了铁素体本身，溶解了晶界处的脆性氮化物析出物，降低了残余应力，并使合金元素分布均匀化。单激光样品硬度压痕中可见的边缘裂纹，在双激光对应样品中基本消除。

用微观结构打印的标识

      该方法最引人注目的展示是一个视觉上的，而非统计上的。为了证明在块状样品中实现的相控制可以以亚毫米级的空间精度进行应用，团队打印了两个展示样品。在第一个样品中，一个笑脸图案沿着构建方向嵌入。在第二个样品中，鲁汶大学增材制造研究所的标志沿着扫描方向被再现。在这两种情况下，图像在部件的几何形状中是不可见的。只有当样品被切开并检查微观结构时，才会显现出来：标志区域打印出接近双相（奥氏体-铁素体）的微观结构，而背景区域则是完全铁素体的微观结构。

一个超级双相不锈钢样品，其中由工艺诱导的微观结构差异（而非几何形状）构成了图像。使用优化双激光参数打印的区域（奥氏体相含量接近约50%）勾勒出眼睛和嘴巴；周围的铁素体背景（奥氏体相含量接近约0%）是使用单激光生产的。图片来源：鲁汶大学。

单激光区和双激光区之间的界面清晰锐利，过渡处无缺陷，无微观结构梯度。部件的密度不受影响。在同一个构建中结合两种不同的微观结构策略，不会损害任何一种结构的完整性。图像不是由几何形状构成的，而是由相构成的。这种区别正是关键所在。

对行业的意义

其工业意义体现在多个方面。

       最直接的是热处理。固溶处理是双相不锈钢部件一个显著的成本和风险驱动因素，并且它会在整个部件上产生均匀的微观结构，无论是否需要这种均匀性。如果正确的微观结构可以在构建过程中实现，那么后处理需求就可以减少或完全消除，这将直接影响交货周期、变形和部件级成本。

     长期的意义更具变革性，因为当微观结构成为构建策略中一个可控的输出变量，而非冷却速率的副产品时，它从根本上改变了设计空间。想象一下，耐腐蚀的外表面与更高强度的内部核心相结合。磁性能可调的特定区域。耐磨的局部区域。那些今天需要多种材料、多个制造步骤，或两者兼具才能实现的性能，原则上可以在单次LPBF构建中实现，并且材料性能将变得与几何形状一样可设计。

这对行业如何思考多激光硬件也有系统层面的影响。随着金属增材制造平台向四激光、六激光和十二激光架构发展，关于这些额外激光器用途的讨论需要拓宽。鲁汶大学的研究以实验证据为支撑，提出了一个可信的论点：将第二台激光器用作精密热工具，开辟了一个根本不同的空间。

      该研究直接指出了它尚未解决的问题。实现接近平衡的双相微观结构目前需要较低的扫描速度，这大大降低了构建速率。最佳的双激光参数在冶金学上是高效的，但在工业上尚不高效。未来的工作将侧重于以下策略：仅在需要的地方应用缓慢的、针对微观结构的参数，在可接受主要是铁素体结构的区域使用更快的单激光参数，并将该方法扩展到更大、更复杂的几何形状，在这些几何形状中，热积累会引入新的变量。

激光的下一个前沿

     金属增材制造花了二十年时间确立了它可以生产复杂形状的能力。鲁汶大学的研究指向了下一个问题：它能否生产出具有设计性能、位于设计位置、被工程化地融入构建策略而非事后添加的复杂材料。基于这项研究，答案是肯定的。快速分析建模、严格的实验验证和开放可编程的工艺软件相结合，被证明足以解决一个仅靠硬件无法破解的问题。工具已经存在。框架已经得到验证。前方的道路是将其规模化。当热历史成为设计变量而非工艺副产品时，金属增材制造所能生产的界限，以及它能向那些依赖高性能金属部件的行业所承诺的界限，都将显著扩展。这项研究是朝着这个方向迈出的有意义的一步。

      Materialise 继续通过其控制平台、构建处理器 SDK 和 CO-AM 生态系统投资于开放和灵活的软件基础设施，以使此类研究能够转化为生产环境。鲁汶大学的这项研究证明了，当深厚的材料科学专业知识与可编程的、开放的过程控制软件相结合时，能够实现什么。Dr. Michele Pavan 管理着 Materialise 的研发团队，专注于优化激光烧结工艺。他的专业领域涵盖材料科学、X射线计算机断层扫描和粉末床熔融增材制造工艺。

   来源：中国3D打印网编译文章！