Fraunhofer UltraGRAIN 项目联合 RMIT 大学成功开发出在金属增材制造（AM）过程中实时控制微观结构的方法。通过激光脉冲作用于熔池，可显著细化金属打印件晶粒，部分案例晶粒尺寸降低高达 75%，实现局部优化性能。该技术可直接集成于激光沉积（DED-LB）系统，支持复杂几何件生产，适用于航空航天、汽车、能源与模具制造等领域。UltraGRAIN 框架结合数字建模与仿真驱动设计，加速微观结构控制 AM 技术向工业应用转化，为金属 3D 打印性能提升与材料节约提供创新方案。
弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer-Gesellschaft）和墨尔本RMIT University的研究人员展示了一种在金属增材制造（AM）过程中控制零件晶粒结构的方法。这项工作是在 UltraGRAIN 研究项目框架内进行的，该项目专注于基于激光的定向能量沉积（DED-LB）。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会议。图片来源：Fraunhofer IWS。
该联盟包括Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS、Fraunhofer Institute for Additive Manufacturing Technologies IAPT以及RMIT University。在 Fraunhofer ICON 项目和澳大利亚合作伙伴的支持下，该项目旨在开发一种可扩展的方法，在打印过程中直接定制微观结构。
控制微观结构一直是金属增材制造的长期挑战。晶粒结构在凝固过程中自然形成，局部修改非常困难。这些结构会影响多种机械性能，如疲劳强度、使用寿命和承载性能。
UltraGRAIN 探索了在生产过程中影响晶粒形成的方法。早期实验使用超声波影响凝固行为。后来，研究人员转向对熔池进行脉冲激光激励，这是一种非接触技术，可适用于复杂几何形状和工业设备。
脉冲激光方法在沉积过程中直接激发熔池。研究团队表示，该方法可集成到现有的基于激光的 DED 系统中，并且比超声技术具有更好的可扩展性。
高速成像捕捉激光丝定向能量沉积（DED-LB）过程中的脉冲激光诱导等离子体。图片来源：Fraunhofer IWS。
细化打印金属零件的晶粒结构
在演示零件上的测试显示，该方法可以显著细化打印金属零件的晶粒结构。在某些情况下，研究人员报告晶粒尺寸可降低高达 75%。这种控制水平使工程师能够在生产过程中创建局部优化区域。
“UltraGRAIN 展示了 Fraunhofer IWS 如何将新制造技术从概念持续发展到工业应用，”Christoph Leyens 说道，“这些成果提供了重要的科学洞察，也为未来的工业转化提供了坚实基础。”
项目的一个关键方面是跨工艺开发、数字设计和材料建模的协作。Fraunhofer IWS 将脉冲激光熔池激励集成到 DED 系统中，并在工业相关条件下验证了技术。Fraunhofer IAPT 为具有局部不同微观结构的零件开发了分段、路径规划和参数分配方法。
RMIT University 贡献了多尺度建模和基于仿真的工艺设计。Andrey Molotnikov 表示：“项目合作伙伴之间的积极协作是 ICON 项目的一个重要亮点。”
电子背散射衍射（EBSD）取向图显示了未使用（左）和使用（右）脉冲激光熔池激励的差异。图片来源：Fraunhofer IWS。
面向增材制造的仿真驱动工艺
UltraGRAIN 框架将数字模型与增材制造工艺连接起来，实现仿真驱动的工艺设计。通过将建模与实际制造系统相结合，该项目旨在加速微观结构可控增材制造技术向工业应用的转化。
可受益于该方法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。在这些领域，具有局部优化微观结构的零件可提升性能，同时减少材料使用并延长使用寿命。
研究联盟还在 ICALEO、ICAM、APICAM 和 EUROMAT 等国际会议上展示了项目成果。2025 年 12 月，Fraunhofer IWS 与RMIT University 和Swinburne University of Technology 签署了谅解备忘录，以支持未来先进制造领域的研究和技术转化活动。
探索金属增材制造中微观结构控制的新方法
近期研究探索了在金属增材制造过程中控制微观结构的多种方法。在一项研究中，研究人员开发了一种工艺建模工具，用于在激光粉末床熔融（LPBF）过程中控制镍基高温合金的性能。该系统将热力学建模与工艺参数关联，有助于预测打印过程中的微观结构和材料性能，为在不依赖后处理的情况下定制机械性能提供途径。
RMIT University 还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，团队展示了在金属 3D 打印过程中施加超声振动能够细化晶粒结构并提升打印合金的机械性能。这些方法凸显了整个行业在推动从被动晶粒形成向主动控制材料性能方向发展的持续努力。
