金屬3D打印領(lǐng)域面臨的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)及其解決方案

供稿人:黃勝；李滌塵

賓夕法尼亞州立大學(xué)T. DebRoy教授等于2019年7月1日在Nature materials雜志上發(fā)表評(píng)論文章，系統(tǒng)地介紹了當(dāng)前金屬3D打印領(lǐng)域面臨的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)及其解決方案。

金屬3D打印具有生產(chǎn)周期短，產(chǎn)品形狀復(fù)雜（能夠?qū)⒍鄠�(gè)零件整合為一個(gè)零件），一臺(tái)設(shè)備能夠生產(chǎn)不同產(chǎn)品的能力等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用于航空航天，定制產(chǎn)品，醫(yī)療，能源，汽車，船舶和其他行業(yè)。從近年來全球的金屬3D打印設(shè)備的銷量和專利授權(quán)數(shù)量上可以預(yù)見未來金屬3D打印將繼續(xù)增長。但與傳統(tǒng)的制造工藝相比，當(dāng)前的金屬3D打印產(chǎn)品體積很小，生產(chǎn)率、質(zhì)量控制和可重復(fù)性需要進(jìn)一步提高，因此面臨著許多挑戰(zhàn)（圖1）。

科學(xué)挑戰(zhàn)
科學(xué)挑戰(zhàn)來自金屬3D打印中的各種加工條件和復(fù)雜的熱循環(huán)，及其對各種微觀結(jié)構(gòu)特征和缺陷的演變和零件性能所產(chǎn)生的未知影響。目前金屬3D打印的科學(xué)挑戰(zhàn)主要有：工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系研究進(jìn)展緩慢，微觀結(jié)構(gòu)的精確控制，缺陷演變及其對性能的影響規(guī)律的掌握，凝固組織特征、晶粒結(jié)構(gòu)、拓?fù)浜涂棙?gòu)的演變規(guī)律的理解。

技術(shù)挑戰(zhàn)
金屬3D打印在工業(yè)中廣泛應(yīng)用所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)有：缺乏資格認(rèn)證，產(chǎn)品的幾何復(fù)雜性與尺寸受限，工藝與打印順序設(shè)計(jì)復(fù)雜，后處理工藝有待完善，安全與健康危害的防護(hù)等。


經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)
除了科學(xué)與技術(shù)上的問題，當(dāng)前金屬3D打印還面臨著有成本競爭力有待提高，具有工藝兼容性的原材料數(shù)量少，市場份額低，存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘與網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，缺乏標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)和培訓(xùn)等經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。

潛在的解決方案
針對金屬3D打印領(lǐng)域面臨的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，提出了可能的解決方案包括：創(chuàng)建可打印性數(shù)據(jù)庫；開發(fā)金屬3D打印領(lǐng)數(shù)學(xué)模型并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；利用新興的數(shù)學(xué)工具優(yōu)化工藝變量和產(chǎn)品性能；制定工藝與產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)之間的合作等。

圖1 金屬3D打印存在的挑戰(zhàn) a：金屬3D打印的主要科學(xué)挑戰(zhàn)（紅色標(biāo)出），技術(shù)挑戰(zhàn)（綠色）和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)（橙色）；b：溫度梯度和凝固生長速率是影響3d打印零件晶粒結(jié)構(gòu)的兩大主要因素，其多樣性表明了控制其微觀結(jié)構(gòu)的難度；c：各種熱量輸入下不銹鋼零件凝固過程中冷卻速度的變化

參考文獻(xiàn)：
DebRoy T, Mukherjee T, Milewski J O, et al. Scientific, technological and economic issues in metal printing and their solutions[J]. Nature materials, 2019(18): 1026–1032.

供稿人:黃勝；李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室