弗劳恩霍夫研究所使用脉冲激光诱导实现了金属DED过程中的晶粒结构控制

2026年3月7日，南极熊获悉，弗劳恩霍夫协会和皇家墨尔本理工大学的研究人员展示了一种在增材制造（AM）过程中控制金属部件晶粒结构的方法。这项工作是在UltraGRAIN研究项目框架下开展的，专注于基于激光的定向能量沉积（DED-LB）技术。项目于2026年2月25日在德累斯顿举行的最终合作伙伴会议后结束。

△UltraGRAIN项目合作伙伴在德累斯顿举行会议。图片来自弗劳恩霍夫IWS研究所。

项目成员包括弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所 (IWS)、弗劳恩霍夫增材制造技术研究所 (IAPT)和墨尔本皇家理工大学 (RMIT)。在弗劳恩霍夫 ICON项目和澳大利亚合作伙伴的支持下，UltraGRAIN项目旨在开发一种可扩展的方法，用于在构建过程中直接定制微结构。

微观结构调控一直是金属增材制造领域的一大挑战。晶粒结构在凝固过程中自然形成，难以进行局部调控。这些结构会影响多种力学性能，例如疲劳强度、使用寿命和承载能力。

UltraGRAIN项目探索了在生产过程中影响晶粒形成的方法。早期实验采用超声波来影响凝固行为。研究人员后来转向脉冲激光激发熔池，这是一种非接触式技术，可以应用于复杂的几何形状和工业设备。

脉冲激光法可在沉积过程中直接激发熔池。研究团队表示，这种方法可集成到现有的基于激光的定向能量沉积（DED）系统中，并且比超声波技术具有更高的可扩展性。

△高速成像技术捕捉到了激光线定向能量沉积（DED-LB）过程，其中产生了脉冲激光诱导等离子体。图片来自弗劳恩霍夫IWS研究所。

对演示部件的测试表明，脉冲激光方法能够显著改善打印金属部件的晶粒结构。在某些情况下，研究人员报告称晶粒尺寸最多可减小 75%。这种精细的控制能力使工程师能够在生产过程中创建部件内部的局部优化区域。

弗劳恩霍夫IWS研究所所长克里斯托夫·莱恩斯教授表示：“UltraGRAIN项目展现了弗劳恩霍夫IWS研究所如何从概念到工业应用，持续开发新的制造技术。研究成果提供了重要的科学见解，并为未来的工业转化奠定了良好的基础。”

UltraGRAIN项目的一个关键方面是工艺开发、数字设计和材料建模之间的协作。弗劳恩霍夫IWS研究所将脉冲激光熔池激发技术集成到DED系统中，并在与工业相关的条件下验证了这项技术。弗劳恩霍夫IAPT研究所开发了针对局部微观结构变化部件的分割、路径规划和参数分配方法。

RMIT大学贡献了多尺度建模和基于仿真的工艺设计。RMIT大学增材制造中心主任兼教授安德烈·莫洛特尼科夫博士表示：“项目合作伙伴之间的积极协作是ICON项目的一大亮点。”

△电子背散射衍射 (EBSD) 取向图显示了脉冲激光诱导熔池激发前后（左图）的差异。图片来自Fraunhofer IWS。

UltraGRAIN框架将数字模型与增材制造（AM）工艺相结合，从而实现仿真驱动的工艺设计。通过将建模与实际制造系统连接起来，项目旨在加速微结构控制增材制造技术向工业应用的转化。

这种方法可惠及的行业包括航空航天、机械工程、能源技术、涡轮机械、汽车制造以及模具制造。在这些行业中，具有局部优化微观结构的零部件可以提高性能，同时减少材料用量并延长使用寿命。

研究团队还在ICALEO、ICAM、APICAM和EUROMAT等国际会议上展示了项目成果。2025 年 12 月，弗劳恩霍夫IWS 与墨尔本皇家理工大学 (RMIT) 和斯威本科技大学签署了谅解备忘录，以支持未来在先进制造领域的研究和技术转移活动。

近期研究探索了多种控制金属增材制造过程中微观结构的方法。其中一项研究开发了一种工艺建模工具，旨在控制激光粉末床熔融（LPBF）过程中镍基高温合金的性能。建模系统将热力学模型与工艺参数相结合，有助于预测打印过程中的微观结构和材料性能，从而提供了一种无需完全依赖后处理即可定制机械性能的方法。

RMIT大学也研究了在打印过程中影响晶粒形成的方法。在之前的研究中，证明了在金属3D打印过程中施加超声振动可以细化晶粒结构并改善打印合金的力学性能。这些方法凸显了整个行业正在努力超越被动微观结构形成，转向在增材制造过程中更精准地控制材料性能。