南航《Science》 論文：材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化激光金屬增材制造

導(dǎo)讀：激光金屬增材制造已經(jīng)從單一材料打印發(fā)展到多材料/多功能制造。本篇文章提出了一種新的概念：材料-結(jié)構(gòu)-性能集成增材制造 (MSPI-AM)，以便創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和多材料布局，滿足航空、航天、汽車制造和能源生產(chǎn)等行業(yè)日益增長的需求。MSPI-AM主要側(cè)重在兩個(gè)部分：“在正確位置打印正確材料”和“為獨(dú)特功能打印獨(dú)特結(jié)構(gòu)”。研究人員通過建立跨尺度機(jī)制，協(xié)調(diào)納米/微米級材料開發(fā)、中尺度過程監(jiān)控、使用宏觀結(jié)構(gòu)和性能控制，實(shí)現(xiàn)多功能與高性能打印。

△材料-結(jié)構(gòu)-性能集成增材制造 (MSPI-AM)。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，目前金屬激光增材制造工藝的兩大代表類別是：

• 激光定向能量沉積（LDED）：由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積。沉積層厚度通常不大于1mm且可以小至幾百微米。使用高功率激光，制造速度快，可用于構(gòu)建大型組件；高柔韌性，可用于表面涂層、修理和再制造。但是精度相對較低，需要后續(xù)加工才能滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和精度要求。
• 和激光粉末床融合（LPBF）：激光作為聚焦的熱能，選擇性融合粉末床區(qū)域。粉末層厚度通常低于100μm，同時(shí)使用較低激光功率、高光束質(zhì)量的精細(xì)的激光束，保證高打印精度，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
  

△圖1 兩類代表性激光金屬 AM 技術(shù)的發(fā)展。

然而，當(dāng)前激光金屬增材制造仍遵循傳統(tǒng) “串聯(lián)模式”：需要分別調(diào)整材料、結(jié)構(gòu)和工藝領(lǐng)域參數(shù)以獲得預(yù)期性能。這種材料-結(jié)構(gòu)-工藝方法需要反復(fù)試錯(cuò)才能成功，浪費(fèi)材料也增加制造時(shí)長。因此，科研人員試圖提出一種新整體概念：材料-結(jié)構(gòu)-性能集成增材制造 (MSPI-AM)，可以并行設(shè)計(jì)多種材料、結(jié)構(gòu)和相應(yīng)工藝，并強(qiáng)調(diào)它們的相互兼容性，為激光-金屬AM 提供了新的解決方案。

△圖2 用于潛在航空航天領(lǐng)域的金屬部件整體的 MSPI-AM 示例。（A和B）行星探測著陸器示意圖和著陸過程中的極端環(huán)境。( C ) 著陸器底部部件的傳統(tǒng)分層制造和組裝方法，需要具有多功能性，加工程序復(fù)雜且具有風(fēng)險(xiǎn)。( D到H) MSPI-AM 方法用于集成組件的多功能設(shè)計(jì)和制造。(D) 如表1中所述的結(jié)構(gòu)步驟。(E) LDED 主框架結(jié)構(gòu)，潛在的候選材料為碳納米管(CNT) 增強(qiáng)的鈦納米復(fù)合材料。(F) 水蜘蛛潛水鐘的LPBF 減震結(jié)構(gòu)。(E) 上部插圖顯示了主框架結(jié)構(gòu)加勁肋的組裝方法。(G)LDED 隔熱結(jié)構(gòu)，靈感來自Chrysomallon squamiferum天然裝甲，其中潛在的候選材料為多層Ti6Al4V/TiB2。(H) 蜂窩LDED 表面熱保護(hù)結(jié)構(gòu)。

以下一代行星探測著陸器中的多功能一體式底部組件為例，研究人員利用MSPI-AM通過三個(gè)方面展示技術(shù)理念、方法和涉及的科學(xué)問題：

• 結(jié)構(gòu)和材料的整合：分層結(jié)構(gòu)和多種材料的性能驅(qū)動設(shè)計(jì)
  

• 工藝集成：多工藝混合打印和集成制造
  

• 功能集成：整體性能和功能驗(yàn)證
  

這些科學(xué)挑戰(zhàn)和問題對其他類似材料和結(jié)構(gòu)的激光 3D打印制造具有共同影響。

△圖3 多材料激光3D打印和單片金屬組件內(nèi)傳感器，“在正確位置打印正確材料”。（A到C）激光打印金屬納米復(fù)合材料多相分布：（A）Al 基質(zhì)中的零維（0D）TiC 納米顆粒，（B）一維（1D）Ti 基體中的納米晶須結(jié)構(gòu)TiC增強(qiáng)體，和 (C) Fe 基體中的二維 (2D) 石墨烯納米片。（D到G）激光打印漸變結(jié)構(gòu)的多材料分布。[(D)和 (F)] LDED Ti6Al4V (TC4)–Al2O3，不同材料在沉積層間具有二維梯度分布的多材料結(jié)構(gòu)。[(E)和 (G)] LPBF 316L-玻璃多材料體，在沉積層內(nèi)和沉積層間不同材料的3D 梯度分布。（H和I）LPBF在復(fù)雜單片金屬結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)。(H) 玻璃絕緣層（藍(lán)色）和不銹鋼基板（灰色）上的選擇性激光燒結(jié)溫度傳感器結(jié)構(gòu)。(I)選擇性激光熔化智能股骨髖骨柄，在打印載體結(jié)構(gòu)中嵌入傳感器。

MSPI-AM 設(shè)立了兩個(gè)中心思想：

• “在正確的位置打印正確的材料”
• “為獨(dú)特功能打印獨(dú)特結(jié)構(gòu)”
  

研究人員可以設(shè)計(jì)和打印具有空間變化的微觀結(jié)構(gòu)和特性的多材料組件（例如，納米復(fù)合材料、原位復(fù)合材料和梯度材料），進(jìn)一步將功能結(jié)構(gòu)與電子器件在激光打印的整體部件內(nèi)集成。這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（例如，整體拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)以及多尺度分層晶格或細(xì)胞結(jié)構(gòu)）在機(jī)械性能和物理/化學(xué)功能方面都取得了很大的突破。

△圖4 多功能激光金屬增材制造“獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印獨(dú)特功能”。（A到D）三種代表性和多功能創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，（A）充滿格子的拓?fù)鋬?yōu)化衛(wèi)星支架，（B）包含層結(jié)構(gòu)的蜂窩結(jié)構(gòu)面心立方(FCC) 和體心立方 (BCC) 晶格， (C) 受挪威云杉莖啟發(fā)的功能分級夾層結(jié)構(gòu)。( E到G) 多功能激光-金屬增材制造的三類現(xiàn)有差距和發(fā)展方向，(E)制造精度，（F）材料和屬性，（G）多樣性。

據(jù)稱，MSPI-AM目前已經(jīng)發(fā)展成為一種實(shí)用方法，依賴于數(shù)字化制造，通過考慮不同材料和結(jié)構(gòu)，以數(shù)字化形式加速數(shù)據(jù)整合、標(biāo)準(zhǔn)化以及系統(tǒng)的可打印性建立數(shù)據(jù)庫，增強(qiáng)打印機(jī)自主決策。研究人員通過集成智能檢測、傳感和監(jiān)控、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字孿生，使MSPI-AM在生產(chǎn)過程中更加智能地指導(dǎo)制造流程，通過更廣泛的材料選擇和更全面的虛擬制造結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的打印部件。使MSPI-AM能夠成為3D打印技術(shù)在未來可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略。

△圖5 金屬部件 MSPI-AM 跨尺度協(xié)調(diào)和方法。（A到C）材料相關(guān)方法，通常在納米或微米尺度上，（A）特定打印材料微觀結(jié)構(gòu)均質(zhì)化（例如，LPBF 鋯納米顆粒功能化Al7075 鋁合金定制精細(xì)等軸晶粒），（B ) 多種打印材料間的界面兼容性（例如，LPBF316L/Cu 雙金屬結(jié)構(gòu)中形成冶金粘附界面）， (C) 打印材料對特定結(jié)構(gòu)和功能的適用性（例如，LDED處理的多孔Ti-Ta 合金涂層用于提高生物相容性Ti6Al4V髖臼杯。（D到G）金屬粉末激光AM尺度控制增強(qiáng)，在（D）顆粒激光吸收，（E）粉末熔化，（F）熔體池形成機(jī)制，和（G）固化方面熔池。( H到J) 宏觀結(jié)構(gòu)和性能控制方法， (H) 多工藝打印協(xié)同和用于運(yùn)輸和后處理組裝的六軸機(jī)器人，(I) 激光打印大型飛機(jī)機(jī)艙組件，模仿有機(jī)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的多結(jié)構(gòu)和活生物體骨骼生長，(J) 增材制造Cu/Inconel 625雙金屬燃燒室和液體火箭發(fā)動機(jī)噴嘴熱燃燒測試。

參考文獻(xiàn)：Gu, D., Shi, X., Poprawe, R.,Bourell, D., Setchi, R. and Zhu, J., 2021. Material-structure-performanceintegrated laser-metal additive manufacturing. Science, 372(6545), p.eabg1487.

文獻(xiàn)地址：https://science.sciencemag.org/content/372/6545/eabg1487