導讀：67°工藝策略似乎是一個老話題，但內(nèi)藏的門道我們是否真的搞清楚了呢？本期內(nèi)容，是

深入研究后的獨家供稿，助力我們再深度了解這一黃金角度的背后邏輯。

本文將從

LPBF

激光掃描策略的基本原理出發(fā)，深入分析旋轉

67°

背后的科學邏輯（包括數(shù)學基礎與物理機制），并結合實際案例說明其在不同工程應用中的性能表現(xiàn)，為

3D

打印領域的科研與工程人員提供一份全面深刻的技術參考。

LPBF激光掃描策略

激光粉末床熔融（ LPBF ）是一種功能強大的增材制造技術，它通過高能激光束逐層掃描融化金屬粉末，構建具有復雜結構的零件。其中，激光掃描策略的選擇對零件成型質(zhì)量有決定性影響，主要涉及激光束在制造過程中的路徑規(guī)劃，包括打印激光功率、掃描速度和打印層間旋轉角度等參數(shù)。其中，層間旋轉67度被廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)中。

LPBF 過程中，高能激光束與金屬粉末相互作用形成熔池，熔池區(qū)域具有極高的溫度梯度和冷卻速率，伴隨著復雜的熔體流動行為以及反復加熱和冷卻循環(huán)的累積效應，容易產(chǎn)生氣孔、飛濺、球化、裂紋等冶金缺陷，并導致最終打印部件出現(xiàn)各向異性的微觀組織，從而影響成形零件的力學性能和服役壽命。

針對上述問題，國內(nèi)外研究人員廣泛采用了層間旋轉掃描策略，通過改變每層的掃描方向來分散水平和垂直循環(huán)熱輸入，降低打印零件殘余應力和變形。既然需要對激光旋轉一定角度掃描，那么旋轉多少度才是最優(yōu)的？

若層間旋轉角度過小，實際打印過程中相鄰層的激光掃描軌跡會出現(xiàn)過高重疊，這容易造成金屬粉末熔合不良，進而引發(fā)打印結構出現(xiàn)強度下降、開裂或分層等問題；而若層間旋轉角度過大，相鄰打印層之間的重疊會減少，導致層間的結合力減弱，這可能導致打印部件表面粗糙、尺寸精度降低，甚至還會增加翹曲和分層的風險。

67°背后的數(shù)學原理與物理機制

為什么是 67 度，而不是更直觀的 45 度或 90 度呢？ 67 度的有效性來自其獨特的數(shù)學優(yōu)化和物理機制。

數(shù)學優(yōu)化

對于 LPBF 來說，素數(shù) ‘67’ 作為旋轉角度是非常合適的，因為它無法被 360° 整除，這意味著實際打印過程中需要經(jīng)過非常多的層數(shù)才會出現(xiàn)重復。具體來說， 67° 的數(shù)學優(yōu)勢在于它有效地避免了周期性重復，不同于其他角度（如 30° 、 45° 、 60° 或 90° ）， 67° 可以確保激光能量在所有方向上近似隨機分布，進而促進溫度場均勻分布，這樣可以有效地防止打印過程中激光熔融產(chǎn)生的熱效應沿著固定方向積聚，有利于形成具有各向同性微觀結構的 3D 打印部件。

不同掃描策略下樣品的相對密度；(b)掃描方向與保護氣體流動方向平行的示意圖。（來自華南理工大學相關研究）

物理機制

LPBF 過程涉及高能量激光輸入、金屬粉末的熱性能以及打印過程中熱量如何消散的相互作用。根據(jù)工藝參數(shù)的不同，激光掃描粉末后會產(chǎn)生一個大約為 50 至 150 微米寬、 10 至 50 微米深的熔池，同時，熱影響區(qū)會延伸數(shù)倍于熔池的大小，對已經(jīng)凝固的粉末層造成影響。當激光掃描方向不變或周期性重復時，激光熔融產(chǎn)生的熱應力容易沿著固定方向發(fā)生積聚，導致不規(guī)則的融合甚至是孔隙等缺陷。

LPBF 熔池凝固過程中易受 LPBF 過程固有的陡峭熱梯度和快速冷卻速率的影響而形成柱狀晶粒和織構，導致 3D 打印部件力學性能出現(xiàn)各向異性。層間旋轉 67 度策略通過在打印過程中不斷改變熱流方向來破壞柱狀晶粒的生長，使得每一層經(jīng)歷的熱梯度角度不同，促進側枝生長和晶粒細化，從而使 3D 打印部件表現(xiàn)出各向同性的力學性能。

LPBF 過程中復雜的熱循環(huán)會導致 3D 部件表現(xiàn)出較高的殘余應力，在極端情況下，過高的殘余應力甚至會導致零件開裂或失效。層間旋轉 67 度策略通過不斷改變相鄰打印層間的熱梯度的方向，有利于減少單一（固定）方向上殘余應力累積，從而有效地降低峰值殘余應力，實現(xiàn)在打印部件內(nèi)創(chuàng)造更均衡的應力場。

基于英國曼徹斯特大學 P.J. Withers 教授團隊利用中子衍射技術開展的測量結果也表明，采用層間旋轉 67 度策略制造的 LPBF 不銹鋼零件的殘余應力值比掃描方向無旋轉角度制造的零件低約 20-30% 。此外，采用層間旋轉 67 度策略零件的應力分布也呈現(xiàn)出更明顯的各向同性特征，最終打印零件整體尺寸穩(wěn)定性與服役可靠性都更好。

不同工程實踐中的性能驗證

在廣泛應用 LPBF 技術的行業(yè)中，層間旋轉 67 度策略正扮演著解決實際問題的關鍵角色。雖然旋轉 67 度策略的具體優(yōu)勢會因不同材料和實際零件形狀而不同，但這并不妨礙它在每一個應用場景中都展現(xiàn)出獨特的價值。

那么，在工業(yè)模具、航空航天和醫(yī)療器械等不同領域，這一策略究竟都帶來了哪些價值呢？

工業(yè)模具

因工業(yè)模具（如注射模具、沖壓模具和切削工具）通常需要在高應力和高溫等嚴苛工況下使用，故而對模具的尺寸穩(wěn)定性和耐磨性要求很高。工具鋼在 LPBF 制造過程中通常會形成馬氏體微觀組織，但其形態(tài)和分布容易受到激光掃描方向的影響，固定方向（無選擇角度）掃描易導致馬氏體板條的定向排列，形成各向異性的硬度分布。采用層間旋轉 67 度策略后，馬氏體板條的分布變得更加隨機，因此硬度分布更加均勻，并且這種改善不僅體現(xiàn)在模具靜態(tài)的硬度測試中，更重要的是在實際使用過程中模具也表現(xiàn)出更加一致的耐磨性能。

此外，前面提到，層間旋轉 67 度策略有利于熱量均勻分布，這對于模具內(nèi)部隨形冷卻通道（增材制造應用于制造工具的一大關鍵優(yōu)勢）的性能至關重要。由于隨形冷卻通道內(nèi)部結構通常比較精密復雜，且容易在打印過程中發(fā)生變形，旋轉 67 度所帶來的均勻熱分布，有助于保持隨形冷卻形狀尺寸結構的準確性。

航空航天

層間旋轉掃描策略被廣泛應用于 3D 打印航空航天結構件中，例如渦輪葉片、支撐件以及輕量化承力結構的制備。以鈦合金渦輪葉片為例，傳統(tǒng)的單向無選擇掃描方式容易導致葉片出現(xiàn)顯著的各向異性，在服役過程中，葉片需要需承受復雜的多軸載荷，這種各向異性的力學性能分布可能成為潛在的失效源。研究表明，采用層間旋轉 67° 策略制造的葉片的徑向與周向的拉伸性能差異可控制在5%以內(nèi)，相比單向掃描工藝顯著改善了各向同性水平，從而提升了整體結構的可靠性。

更為重要的是，層間旋轉 67 度策略在高周疲勞性能方面表現(xiàn)突出。疲勞裂紋的萌生與擴展通常受到零件微觀組織不均勻和織構集中的影響。層間旋轉 67° 策略通過不斷改變熱梯度方向，削弱了強織構的形成，使晶粒取向更加隨機化，并促進了較為均勻的晶粒結構。這一微觀組織特征不僅有利于減少裂紋萌生，也迫使裂紋擴展路徑更加曲折，從而顯著地延長了 3D 打印部件的疲勞壽命。

醫(yī)療器械

在醫(yī)療器械領域，層間旋轉 67° 策略主要被用于改善 3D 打印部件的表面質(zhì)量和生物相容性。以鈦合金骨科植入物為例，植入物表面的微觀形貌對骨整合過程具有重要影響。采用 67° 旋轉策略可以優(yōu)化微觀組織均勻性，使晶粒更加細小和等軸化，從而間接改善打印部件的表面特征。這種均勻的晶粒結構也有助于后續(xù)的表面處理，如機械加工、拋光或表面改性。

結論

激光粉末床融合中層間旋轉 67 度策略的廣泛使用并非偶然，而是數(shù)學、物理學與冶金學交叉優(yōu)化的典范。未來對掃描策略的探索必將從固定的旋轉角度邁向動態(tài)自適應的智能控制，在實際生產(chǎn)中獲得更優(yōu)質(zhì)量的部件，進一步釋放 3D 打印的潛力。

注：本文由3D打印技術參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權，謝絕轉載。

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