《Proceedings of the Design Society》：Particle damping optimization and multi-material additive manufacturing of an atom chip bracket: a case study
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激光粉末床熔融金属成形工艺（PBF-LB/M）为在制造过程中直接集成颗粒阻尼器提供了可能。在现有优化工具的基础上，本文研究了量子惯性传感器原子芯片支架的优化与多材料增材制造（AM）。该支架在质量、刚度和阻尼特性方面进行了优化，随后采用PBF-LB/M工艺使用S
激光粉末床熔融金属成形工艺（PBF-LB/M）为在制造过程中直接集成颗粒阻尼器提供了可能。在现有优化工具的基础上，本文研究了量子惯性传感器原子芯片支架的优化与多材料增材制造（AM）。该支架在质量、刚度和阻尼特性方面进行了优化，随后采用PBF-LB/M工艺使用Scalmalloy?铝合金和钨进行制造。研究结果揭示了组件设计以及增材制造预处理阶段的相关发现。增材制造（AM）相较于传统制造工艺具有显著更高的设计自由度，这得益于其逐层制造原理。其中，激光粉末床熔融金属成形工艺（PBF-LB/M）尤为受到关注，该工艺利用松散金属粉末制造高密度零件。这为集成功能和效应提供了可能。颗粒阻尼是一种可集成于零件中的效应。颗粒阻尼器（PD）的特征在于封闭腔体内的松散颗粒；在振动发生时，颗粒之间以及颗粒与腔壁之间的碰撞和摩擦相互作用产生能量耗散，从而减小振动并改善阻尼特性。PBF-LB/M工艺通过在零件中创建未熔合的封闭腔体，可直接将颗粒阻尼器集成到零件中，腔体内残留的粉末材料即构成增材制造颗粒阻尼器（AMPD）。这对于降低共振响应尤为有益，特别是对于拓扑优化后阻尼性能较差的多孔结构而言。随着PBF-LB/M系统技术的进一步发展，现在也能够在PBF-LB/M工艺中制造多材料零件。材料选择的新增维度可用于提升颗粒阻尼器的性能，特别是使用更高密度的颗粒材料尤为具有前景，因为颗粒质量的增加会带来阻尼的提升。本文研究了如何提升AMPD的性能。因此，研究人员以实际应用中的零件为对象，采用Oel等人开发的AMPD优化工具进行案例研究优化，结果使用多材料PBF-LB/M工艺以高性能Scalmalloy?铝合金和钨颗粒阻尼器制造。研究分析了颗粒材料对阻尼特性的影响，并识别了AM工艺链中制造多材料AMPD需要特殊步骤的任务。
**研究背景与问题提出**
增材制造技术因其逐层成形的特点，为复杂结构设计和功能集成提供了前所未有的自由度。激光粉末床熔融金属成形工艺（PBF-LB/M）能够利用金属粉末直接制造高密度零件，并在零件内部创建未熔合的封闭腔体，使残留粉末充当颗粒阻尼器（PD），形成增材制造颗粒阻尼器（AMPD）。这一技术对于拓扑优化后的轻量化结构尤为重要，因为这类结构往往固有阻尼性能较差，易产生共振响应。此外，多材料PBF-LB/M技术的发展使得在单一零件中组合多种材料成为可能，为通过选用高密度颗粒材料来提升阻尼性能开辟了新途径。然而，多材料AMPD的制造尚属空白，且现有的AMPD优化工具缺乏实际应用验证。在此背景下，研究人员以量子惯性传感器的原子芯片支架为研究对象，开展了颗粒阻尼优化与多材料增材制造的案例研究。该支架用于量子重力测量系统，在飞机或卫星等移动平台上需要具备高抗振能力和轻量化特性，以保障重力场探测的空间分辨率和测量精度。
**研究内容与技术方法**
研究人员采用Oel等人提出的AMPD优化工具，结合多材料PBF-LB/M工艺，对原子芯片支架进行了综合优化与制造验证。研究依据Lachmayer等人提出的增材制造通用工艺链，重点关注产品设计、预处理及制造过程中的特殊要求。
在产品设计阶段，研究人员基于Python脚本在有限元（FE）软件Abaqus中实施优化。以Scalmalloy?铝合金（密度2.65 g/cm3）为结构材料，钨粉（密度19.26 g/cm3）为颗粒材料，设定体积缩减至最大设计空间的50%、腔体体积分数4%的优化目标，在固定约束和三向1000g加速度载荷边界条件下，经过58次迭代获得拓扑优化结果。随后利用Rhino/Grasshopper软件及其Dendro插件对网格模型进行平滑处理和几何重构，最终在Autodesk Fusion中完成实体与腔体的布尔分离及功能表面重建，生成可制造的三维模型。
在预处理阶段，研究人员采用Autodesk Netfabb软件进行制造数据准备。针对多材料涂覆系统0.5 mm的铺粉精度限制，对材料过渡区域施加0.5 mm的轮廓偏移，确保结构区域不被钨粉污染；同时避免在腔体内生成支撑结构以保障阻尼性能。系统将Scalmalloy?和钨区域的轮廓以.cli格式导出，激光扫描矢量以.ilt格式导出，其中包含经预试验确定的Scalmalloy?熔融激光参数。此外，通过棋盘格标定图案实现粉末铺展系统与激光系统的精确对位校准。
在制造阶段，采用配备Aerosint SPD铺粉器的Aconity MIDI+ PBF-LB/M系统，以50 μm层厚在氩气保护气氛下成型。过程中通过高温计监测发现腔壁附近存在异常热信号，经调整后得以修正。对比制造了单材料AMPD变体件，并使用传统铺粉系统完成。
**研究结果**
**后处理与检测分析**。制造完成后，零件经分离基板和功能表面机械加工，采用Royma RMCT 4000计算机断层扫描（CT）设备进行分析。单材料AMPD变体的扫描数据显示腔体内充满粉末，上部存在微小气隙，这与文献报道一致。多材料变体因钨的高X射线吸收率导致CT重建受限，但仍可确认钨存在于所有腔体中；然而窄腔区域未完全填充钨粉，这可能源于预处理阶段的材料轮廓偏移设置。
**动态特性实验研究**。研究人员利用激振器系统对零件进行动态行为分析，通过力传感器和加速度传感器测量不同频率（250–2000 Hz）和加速度（50–212.5 m/s2）条件下的能量耗散。测试设置中，零件通过适配板与力传感器连接，基板加速度用于控制激振器，原子芯片模拟件上的加速度信号用于记录响应。能量耗散（E
Diss）依据Guo等人提出的方法，由加速度与力信号计算得出。
结果显示：两种AMPD变体均在较低频率下获得更高的能量耗散值，且随加速度增加而增大。在1000 Hz以下频段，多材料变体的能量耗散显著高于单材料变体；但在1500 Hz和2000 Hz时，两者差异微小。这一频率依赖性表明不同密度颗粒在不同频率下达到运动状态的条件存在差异。
**讨论与结论**
研究人员分析了多材料AMPD制造中AM工艺链的特殊要求。产品设计阶段虽因材料选择增加了设计自由度，但需要相应的专业知识和工具支持，且优化结果需经平滑处理和功能表面重建方可制造；多材料零件的几何文件处理也更为复杂。预处理阶段，现有软件对多材料制造的支持不足，材料过渡偏移需手动创建，粉末应用系统的校准工作量显著增加。制造过程中，多材料系统的复杂性降低了工艺稳定性，但高温计等过程监控手段有助于保障制造质量。
实验结果表明，多材料AMPD尤其在1000 Hz以下低频段具有显著优势，钨颗粒材料可使能量耗散提升至单材料变体的4至17倍；但在1250–2000 Hz频段，两种变体差异不明显。这可能与不同密度颗粒的惯性响应特性有关。同时，受激振器工作范围限制，本次测试未覆盖零件的固有频率共振状态，共振条件下的行为验证有待后续研究。
**研究结论**
本案例研究成功完成了原子芯片支架的优化与多材料增材制造，达到了预设的体积目标和腔体集成要求。关于多材料AMPD的PBF-LB/M制造，研究得出以下结论：材料变体带来的附加自由度需要加以控制，这要求设计人员具备特定知识并掌握相应的优化工具；多材料AM的制造数据准备显著更为复杂，现有软件尚不具备所需功能；多材料PBF-LB/M系统技术显著提高了系统准备的工作量，且较低的工艺稳定性增加了制造错误概率。实验表征表明：不同颗粒密度可导致不同的能量耗散水平，尤其频率依赖行为存在差异；频率低于1000 Hz时，采用钨作为颗粒材料相比单材料变体可将能量耗散提高4至17倍；针对原子芯片支架的验证需在共振条件下开展测试；对多材料AMPD阻尼行为的深入理解仍需进行大量研究。后续研究将利用试样详细考察改性颗粒材料的影响，重点识别频率和加速度依赖行为的差异规律。
