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重磅！南航發(fā)表首篇《Science》！材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化激光金屬增材制造！

2021-05-28 14:46:29 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

2021年5月28日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Science》發(fā)表了南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、江蘇省高性能金屬構(gòu)件激光增材制造工程實(shí)驗(yàn)室顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)的研究綜述論文《材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光金屬增材制造》。激光金屬增材制造能力已從單材料印刷發(fā)展到多材料/多功能設(shè)計(jì)和制造。材料結(jié)構(gòu)性能集成增材制造（MSPI-AM）代表了走向具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和多材料布局的最終用途組件的整體制造之路，以滿足航空，航天，汽車制造和能源生產(chǎn)等行業(yè)不斷增長(zhǎng)的需求。

本文重點(diǎn)介紹了MSPI-AM的兩種方法學(xué)思想，即“在正確的位置打印正確的材料”和“為獨(dú)特的功能打印獨(dú)特的結(jié)構(gòu)”，以實(shí)現(xiàn)性能和功能的重大改進(jìn)。作者建立跨尺度機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)納米/微米尺度材料的開(kāi)發(fā)，中尺度過(guò)程監(jiān)控，宏結(jié)構(gòu)和性能控制可以主動(dòng)使用，以實(shí)現(xiàn)高性能和多功能性。MSPI-AM代表了AM的設(shè)計(jì)和制造策略的革命，以及它的技術(shù)增強(qiáng)和可持續(xù)發(fā)展。相關(guān)研究成果以題“Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”發(fā)表在Science上，該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51735005）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB1100101）、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（51921003）等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6545/eabg1487

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金屬部件是現(xiàn)代工業(yè)（如航空，航天，汽車制造和能源生產(chǎn)）的基石。高性能金屬部件的嚴(yán)格要求阻礙了材料選擇和制造的優(yōu)化。基于激光的增材制造（AM）是實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略技術(shù)。隨著應(yīng)用程序數(shù)量的增加，科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)也隨之增加。由于激光器AM具有逐域（例如逐點(diǎn)，逐行和逐層）局部化的成型特性，因此打印過(guò)程和性能控制所必需的范圍超過(guò)六個(gè)數(shù)量級(jí)，從微觀結(jié)構(gòu)（納米級(jí)到微米級(jí)）到宏觀結(jié)構(gòu)和部件性能（毫米級(jí)到米級(jí)）。從設(shè)計(jì)到制造，激光金屬AM的傳統(tǒng)路線遵循典型的“串聯(lián)模式”，從而導(dǎo)致繁瑣的反復(fù)試驗(yàn)方法，這對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能目標(biāo)提出了挑戰(zhàn)。

本文提出了一種材料-結(jié)構(gòu)-性能集成增材制造（MSPI-AM）的整體概念，以應(yīng)對(duì)AM的廣泛挑戰(zhàn)。我們將MSPI-AM定義為通過(guò)集成多材料布局和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)而一步一步地制造整體金屬部件的過(guò)程，目的是主動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的高性能和多功能性。MSPI-AM方法論受要實(shí)現(xiàn)的性能或功能的驅(qū)動(dòng)，可以并行設(shè)計(jì)多種材料，新結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的印刷工藝，并強(qiáng)調(diào)它們的相互兼容性，從而為激光金屬AM的現(xiàn)有挑戰(zhàn)提供了系統(tǒng)的解決方案。

材料結(jié)構(gòu)性能集成增材制造（MSPI-AM）。多功能設(shè)計(jì)的材料和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)同時(shí)印刷在一體的金屬部件中，以產(chǎn)生高性能和多功能性，將材料，結(jié)構(gòu)，過(guò)程和性能的核心要素與大量相關(guān)的耦合要素和未來(lái)的潛在要素并行集成，以增強(qiáng)性能印刷組件的多功能性以及激光增材制造技術(shù)的成熟性和可持續(xù)性。

圖1 兩類代表性的激光金屬AM技術(shù)的發(fā)展。（A和C）LDED（A）和LPBF（C）的示意圖。（B和D）金屬的LDED（B）和LPBF（D）的典型工藝開(kāi)發(fā)階段（品紅色標(biāo)記），激光類別（藍(lán)色標(biāo)記）以及激光和印刷參數(shù)（綠色標(biāo)記）（181 – 196））。（E）激光金屬增材制造技術(shù)發(fā)展的主要特征和進(jìn)展時(shí)間表。

MSPI-AM由兩種方法學(xué)思想定義：“在正確的位置打印正確的材料”和“為獨(dú)特功能印刷的獨(dú)特結(jié)構(gòu)”。在單個(gè)打印部件中對(duì)微觀和宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的方法越來(lái)越創(chuàng)新，導(dǎo)致使用AM可以用多種材料生產(chǎn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)和打印具有在空間上變化的微觀結(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），從而進(jìn)一步使功能結(jié)構(gòu)與電子器件集成在激光打印的整體部件的體積內(nèi)。這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（例如，整體拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，從自然界中學(xué)到的仿生結(jié)構(gòu)以及多尺度的層次晶格或細(xì)胞結(jié)構(gòu)）導(dǎo)致了機(jī)械性能和物理/化學(xué)功能方面的突破。

多功能整體構(gòu)件的材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光增材制造：

以下一代空間探測(cè)著陸器“大底”構(gòu)件為例

材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造的特征之一：

適宜材料打印至適宜位置

材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造的特征之二：

獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨(dú)特功能

我們的MSPI-AM不斷發(fā)展成為一種實(shí)用的方法，有助于實(shí)現(xiàn)AM的高性能和多功能目標(biāo)。存在許多增強(qiáng)MSPI-AM的機(jī)會(huì)。MSPI-AM依賴于更加數(shù)字化的材料和結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)與打印，這可以通過(guò)考慮“材料基因組計(jì)劃”來(lái)考慮AM材料發(fā)現(xiàn)的不同范例，將材料和結(jié)構(gòu)數(shù)字化以加速數(shù)據(jù)聚合的格式標(biāo)準(zhǔn)化以及系統(tǒng)的可打印性來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫(kù)，以增強(qiáng)打印機(jī)的自主決策能力。面向MSPI的AM通過(guò)集成智能檢測(cè)，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)以及數(shù)字孿生技術(shù)，在過(guò)程和生產(chǎn)中變得更加智能。MSPI-AM進(jìn)一步呼吁使用更多的混合方法來(lái)獲得最終的高性能/多功能成就，并選擇更多的材料，將虛擬制造與實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行更全面的集成，以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的印刷。我們希望MSPI-AM能夠成為AM技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵策略。

高性能/多功能金屬構(gòu)件材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光增材制造的跨尺度形性調(diào)控機(jī)制

總之，方法的多樣化對(duì)于進(jìn)一步增強(qiáng)MSPI-AM是必要的。MSPI-AM的最重要成果之一是將多功能部件廣泛集成到一個(gè)整體組件中，從而產(chǎn)生機(jī)械性能以及與聲音，光，磁，電和熱相關(guān)的功能。因此，實(shí)現(xiàn)MSPI-AM最終目標(biāo)的方法變得更加混雜。首先，材料選擇和解決方案變得更加通用，以實(shí)現(xiàn)MSPI-AM。例如，用強(qiáng)度/重量比更高的材料（例如碳纖維復(fù)合材料）局部替換一部分金屬部件，可在航空航天制造領(lǐng)域節(jié)省大量的重量，這進(jìn)一步要求使用非金屬材料。基于3DP的技術(shù)及其與金屬打印的協(xié)調(diào)。MSPI-AM中的第二個(gè)考慮因素是加強(qiáng)各種AM技術(shù)和互補(bǔ)過(guò)程的集成，以導(dǎo)航在材料和結(jié)構(gòu)中具有更極端條件的對(duì)象的復(fù)雜打印。第三，由于多進(jìn)程的復(fù)雜性不斷提高，因此MSPI-AM有利于各種進(jìn)程接口的平滑互連，以避免潛在的缺陷形成。可以將基于數(shù)值模擬的“虛擬制造”與實(shí)際生產(chǎn)相集成，以促進(jìn)MSPI-AM，從而提供整個(gè)AM過(guò)程的多尺度建模和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，以及隨之而來(lái)的打印技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化。需要先進(jìn)的計(jì)算算法和代碼，高性能的計(jì)算方法以及過(guò)程控制方法的創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)組件規(guī)模的對(duì)激光增材制造的基本物理原理和技術(shù)方法學(xué)的理解，同時(shí)還需要進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的過(guò)程改進(jìn)。

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