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)
來源：中國光學(xué)

增材制造( Additive Manufacturing, AM)（名詞解釋>）俗稱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,。另一個特點是靈活度高,，但精度較低，需后續(xù)加工來滿足設(shè)計的結(jié)構(gòu)和精度要求,。

相對于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，通過掃描振鏡快速實現(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)展的主要特點和時間進展

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)件多服役于極端嚴苛環(huán)境,，故對構(gòu)件的選材、制造工藝,、性能參數(shù)均提出了嚴峻挑戰(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-材料選擇-加工工藝-實現(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,，造成金屬構(gòu)件高性能目標實現(xiàn)困難,。

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團隊提出了 “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)部同步實現(xiàn)多材料設(shè)計與布局、多層級結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印,，以實現(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器著陸器系統(tǒng)的整體化和多功能化發(fā)展趨勢,，針對隔熱/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、碳納米管增強金屬基復(fù)合材料等多材料設(shè)計與布局,，實現(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個復(fù)雜度層級，揭示了多材料構(gòu)件激光增材制造的科學(xué)內(nèi)涵,、成形機制與實現(xiàn)途徑,；

其二是“獨特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨特功能”，揭示了拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu),、點陣結(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典型結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，以及增材制造實現(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)及對策。

圖8：激光金屬增材制造實現(xiàn)獨特功能構(gòu)件

圖源：Science

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

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