材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化激光金屬增材制造

撰稿 | Seven (吉林大學(xué) 博士生)
來(lái)源：中國(guó)光學(xué)

增材制造( Additive Manufacturing, AM)（名詞解釋>）俗稱(chēng)3D打印，是基于分層制造原理，采用材料逐層累加的方法，直接將數(shù)字化模型制造為實(shí)體零件的一種新型制造技術(shù)。其中激光增材制造(Laser Additive Manufacturing, LAM)（名詞解釋>）技術(shù)是一種以激光為能量源的增材制造技術(shù)，激光具有高能量密度，可實(shí)現(xiàn)難熔金屬和合金的成形制造。

目前，制備金屬部件的兩種主要方法是激光定向能量沉積（LDED）和激光粉末床熔合（LPBF）。

圖1：LDED和LPBF兩種裝置示意圖

圖源：Science ，后經(jīng)撰稿人編輯

LDED使用高能量激光來(lái)熔合材料，粉末層厚度通常不大于1 mm，也可小到幾百微米。LDED的顯著特點(diǎn)之一是制造速度快，采用高功率激光和大的光束尺寸，能夠確保制造速度，可用于制造大規(guī)模組件。另一個(gè)特點(diǎn)是靈活度高，但精度較低，需后續(xù)加工來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和精度要求。

相對(duì)于LDED，LPBF同樣以激光作為能量，使用的激光能量更低，光束質(zhì)量更好，粉末層厚度通常低于100μm，通過(guò)掃描振鏡快速實(shí)現(xiàn)激光掃描聚焦熔合，可獲得更高的精度，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。

圖2：LDED和LPBF典型工藝開(kāi)發(fā)階段

圖源：Science ，后經(jīng)撰稿人編輯

圖4：激光金屬增材制造技術(shù)發(fā)展的主要特點(diǎn)和時(shí)間進(jìn)展

圖源：Science ，后經(jīng)撰稿人編輯

高性能金屬構(gòu)件在航空航天等苛刻環(huán)境具有重要應(yīng)用價(jià)值，高端裝備的服役性能很大程度上取決于構(gòu)件的高性能。高性能金屬構(gòu)件多服役于極端嚴(yán)苛環(huán)境，故對(duì)構(gòu)件的選材、制造工藝、性能參數(shù)均提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)增材制造遵循典型的“串聯(lián)式路線”，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-材料選擇-加工工藝-實(shí)現(xiàn)性能。但因材料、結(jié)構(gòu)和工藝等多因素耦合規(guī)律復(fù)雜，激光增材制造精確成形需反復(fù)試錯(cuò)，造成金屬構(gòu)件高性能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)困難。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)提出了 “材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化增材制造”（MSPI-AM）這一整體性概念，其概念創(chuàng)新在于：變革傳統(tǒng)的串聯(lián)式增材制造路線，發(fā)展新的材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能一體化“并行模式”，在復(fù)雜整體構(gòu)件內(nèi)部同步實(shí)現(xiàn)多材料設(shè)計(jì)與布局、多層級(jí)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能。

圖5：材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化增材制造（MSPI-AM）概念圖

圖源：Science ，后經(jīng)撰稿人編輯

相關(guān)綜述論文以 “Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”為題，在Science雜志上發(fā)表。

圖6：南京航空航天大學(xué) 顧冬冬教授

圖源：南京航空航天大學(xué)

為明晰這種一體化增材制造的科學(xué)內(nèi)涵與技術(shù)途徑，本文面向下一代空間探測(cè)器著陸器系統(tǒng)的整體化和多功能化發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)隔熱/防熱、減震抗沖擊、空間抗輻射等多功能需求，創(chuàng)新發(fā)展鱗腳蝸牛殼的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)、水蜘蛛的水泡構(gòu)型、多孔蜂窩等仿生結(jié)構(gòu)，并基于陶瓷/金屬梯度復(fù)合材料、碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等多材料設(shè)計(jì)與布局，實(shí)現(xiàn)仿生多材料整體構(gòu)件的一體化高性能多功能增材制造。

圖7：材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化增材制造（MSPI-AM）在航空航天領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值

圖源：Science

本文定義了“一體化增材制造”的兩大特征及內(nèi)涵：
其一是“適宜材料打印至適宜位置”，從合金和復(fù)合材料內(nèi)部多相布局、二維和三維梯度多材料布局、材料與器件空間布局3個(gè)復(fù)雜度層級(jí)，揭示了多材料構(gòu)件激光增材制造的科學(xué)內(nèi)涵、成形機(jī)制與實(shí)現(xiàn)途徑；

其二是“獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨(dú)特功能”，揭示了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)增材制造的本質(zhì)是分別將優(yōu)化設(shè)計(jì)的材料及孔隙、最少的材料、天然優(yōu)化的結(jié)構(gòu)打印至構(gòu)件內(nèi)最合適的位置，提出了基于上述三類(lèi)典型結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及增材制造實(shí)現(xiàn)輕量化、承載、減震吸能、隔熱防熱等多功能化的原理、方法、挑戰(zhàn)及對(duì)策。

圖8：激光金屬增材制造實(shí)現(xiàn)獨(dú)特功能構(gòu)件

圖源：Science

這種將串聯(lián)式設(shè)計(jì)和成形構(gòu)件的增材制造策略，變革為一體化并聯(lián)式方案，進(jìn)而優(yōu)化金屬構(gòu)件，這將有助于在制造過(guò)程中設(shè)計(jì)和創(chuàng)新出更具獨(dú)特功能的構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)多材料設(shè)計(jì)與布局，在航空航天等極端苛刻環(huán)境中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

論文信息：
Science Vol. 372, Issue 6545, eabg1487 (28-May-2021)
https://doi.org/10.1126/science.abg1487