“工业母机—增材制造”专题 | 华南理工大学杨永强教授团队：激光粉末床熔融装备与工艺发展

专题文章（二）

作者简介

杨永强

教授、博导

• 任广东省增材制造协会会长，广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副理事长兼秘书长

• 长期深耕3D打印增材制造装备与技术研发，历年来承担和参加国家重点领域研发计划、国家自然重点基金等国家省市级科研项目85项

• 发表有关学术论文340余篇。授权发明专利100余项，美德日专利6项

作者简介

宋长辉

华南理工大学

研究员、博导

• 国家青年人才、广东省特支人才、广州市创业领军人才、广东省增材制造协会副会长等

• 获中国专利奖优秀奖、广东省科技进步奖二等奖、北京市技术发明奖二等奖等多项奖励

• 长期从事激光增材制造装备—多尺度形性调控—功能结构件设计与应用等方面研究工作

黄俊斐, 宋长辉, 方鹏飞, 陈推新, 严仲伟, 杨永强, 王迪, 韩昌骏. 激光粉末床熔融装备与工艺发展[J]. 制造技术与机床, 2025(10): 48-64.

DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2025.10.003

黄俊斐 宋长辉 方鹏飞 陈推新 严仲伟 杨永强 王迪 韩昌骏

（华南理工大学机械与汽车工程学院）

研究背景和目的

激光粉末床熔融（LPBF）是金属增材制造领域的核心技术，广泛应用于航空航天、生物医疗、工业模具等领域，当前正朝着大尺寸、高效率、高精度、高性能方向发展。但该技术仍面临零件内部缺陷（未熔合、球化等）、残余应力累积、热历史控制困难等瓶颈，限制了其在关键零部件制造中的应用。本研究旨在系统分析现阶段LPBF先进装备技术（光束整形、多光束复合等）与成形工艺（无支撑打印、多场辅助等），总结各类技术的优缺点，为LPBF技术的进一步优化与工业化应用提供参考，同时展望未来发展方向。

亮 点

① 全面覆盖LPBF技术体系，首次系统整合6类先进装备技术（光束整形、多光束分区拼接、同幅面多光束复合等）与4类创新工艺（无支撑打印、层间改性等），形成“装备-工艺”协同发展的分析框架；

② 聚焦技术融合创新，重点阐述光束整形与多光束技术、在线监测与机器学习、多场辅助与层间改性的交叉应用，凸显技术集成优势；

③ 兼顾实验验证与仿真模拟，既呈现大量工艺参数优化、性能测试的实验结果，又纳入有限元分析、流体动力学模拟等数值方法，强化结论的科学性与可靠性。

方 法

采用文献综述与技术分析相结合的方法，综合梳理近年来LPBF领域的关键研究成果：

① 装备技术层面：分析各类光学系统（光束整形器、光学寻址光阀等）、多光束配置、多材料铺粉装置及在线监测设备的设计原理与应用方式；

② 工艺优化层面：探讨激光参数调控（功率、扫描速度等）、扫描策略设计（分区扫描、重熔扫描等）、外场辅助（磁场、超声）及气氛调控的实施路径；

③ 性能评估与预测层面：整合实验测试（致密度、拉伸强度、显微硬度检测）、数值仿真（熔池动态、应力场模拟）及机器学习模型（卷积神经网络、聚类集成回归）的应用方法。

结 果

① 装备技术成效：光束整形技术可使316L零件生产效率提升44%，致密度保持99%以上；多光束分区拼接技术将大尺寸零件成形效率提高2-4倍，四激光配置使残余应力降至44.1MPa；区域3D打印技术使残余应力下降90%以上，几乎无飞溅；在线监测技术对缺陷识别的平均交并比达91.11%以上；

② 工艺优化成效：无支撑打印实现18mm跨度悬垂结构成形，致密度达99.96%；层间改性工艺使Ti6Al4V抗拉强度提升至1303MPa；多场辅助成形使AlSi10Mg合金致密度显著提高，晶粒细化；

③ 预测与优化成效：机器学习模型对孔隙检测的平衡准确率超90%，对致密度预测的平均绝对误差低至0.0108，实现工艺参数的高效优化。

结 论

LPBF技术正稳步向大尺寸、高效率、高精度、高性能方向演进，先进装备与创新工艺的协同发展是突破技术瓶颈的关键。光束整形、多光束复合等装备技术解决了成形效率与质量的核心矛盾，无支撑打印、多场辅助等工艺强化了零件性能调控能力，在线监测与机器学习为技术智能化提供了支撑。当前技术仍面临光学元器件成本高、多材料界面结合不足、外场辅助稳定性待提升等问题，未来需通过“装备-工艺-智能算法”的深度整合，开发低成本、高精度核心部件，优化多材料成形与缺陷控制技术，推动LPBF技术向智能化、定制化、工业化方向全面发展。

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