多倫多大學推進新金屬增材制造研究,，聚焦先進鋼,、鎳基高溫合金和高熵合金材料

2023年4月3日，南極熊獲悉,，來自多倫多大學的鄒宇（MSE）教授團隊正在加快推進新型金屬增材制造技術(shù)的研究，主要圍繞選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）和定向能量沉積（DED）技術(shù)展開,，研究項目是依托于該校首個金屬3D打印實驗室進行,。金屬增材制造技術(shù)使用計算機輔助設(shè)計 (CAD) 逐層構(gòu)建材料,，可以為航空航天、生物醫(yī)學,、能源和汽車行業(yè)的制造帶來新的變革。

鄒教授表示："我們正在努力揭示增材制造工藝背后的基本物理學,，并提高增材組件的機械性能,，創(chuàng)造出可以實際應用的新型結(jié)構(gòu)和功能材料,。"該團隊還在應用新的實驗和分析方法來更好地理解SLM和DED打印過程。目前,，他們的研究重點是先進的鋼材料,、鎳基超合金和高熵合金。未來,，他們可能會擴展到探索鈦和鋁合金,。

△鄒宇教授和他的3D打印團隊在極限力學與增材制造實驗室進行研究。照片來源：Safa Jinje

與零件或組件由散裝材料制成的傳統(tǒng)制造不同,，金屬 3D 打印工藝可以在本地定制微觀結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成。也就是說,，與傳統(tǒng)制造相比，它們可以表現(xiàn)出截然不同的特性,。來自鄒教授實驗室的 MSE 博士研究生肖尚說：“例如，醫(yī)療植入物需要類似人骨的材料,，這些材料外部致密堅硬,，但內(nèi)部多孔。對于傳統(tǒng)制造,，這真的很難實現(xiàn),，但金屬打印為您提供了更多的控制和定制產(chǎn)品�,！�

與減材制造技術(shù)（例如鑄造,、模塑和機加工，使用模具創(chuàng)建形狀,，或熱加工,，其中去除材料以生產(chǎn)零件）相比，增材制造工藝還顯著減少了生產(chǎn)時間,、材料成本和能源消耗在生產(chǎn)物體時,，例如航空發(fā)動機部件、汽車生產(chǎn)的工具部件,、核反應堆的關(guān)鍵部件和關(guān)節(jié)植入物,。

鄒教授團隊的金屬 3D 打印機主要包括選擇性激光熔化 (SLM) 和定向能量沉積 (DED)，這是當今學術(shù)界和工業(yè)界使用的兩種基本金屬增材制造技術(shù),。首先，CAD 軟件用于創(chuàng)建對象及其層的三維模型。然后,，對于每一層,，機器都會沉積一層非常薄的金屬粉末,，隨后根據(jù)三維模型定義的幾何形狀，用強大的激光將其熔化,。熔融金屬凝固后，它會粘附到前一層或基材上,。每層完成后，機器將重復粉末摻雜和激光熔化過程,，直到打印完所有層并完成物體。

△使用DED 工藝逐層制造三種不同的幾何形狀,。

Tianyi Lyu（碩士研究生）說：“傳統(tǒng)制造技術(shù)仍然非常適合大規(guī)模工業(yè)制造,，但是增材制造具有超越傳統(tǒng)技術(shù)的能力。其中包括復雜幾何形狀的制造,、設(shè)計的快速原型制作和定制，以及材料特性的精確控制,。例如，牙科專業(yè)人員可以使用 SLM 制作尺寸精度在幾微米以內(nèi)的精確 3D 模型,，來幫助患者定制假牙或植入物�,？焖僭�型制作還可以輕松調(diào)整義齒設(shè)計。由于植入物在不同的位置可能需要不同的材料特性,，這可以通過簡單地改變工藝參數(shù)來實現(xiàn)�,！�

團隊的核心成員AjayTalbot（MSE 碩士研究生）則表示："當下傳統(tǒng)合金設(shè)計的主要瓶頸之一是創(chuàng)建和測試新材料需要大量的加工時間,，而像我們項目中這種類型的高通量材料設(shè)計對于傳統(tǒng)的制造方法來說是不可能實現(xiàn)的。"

通過借助DED等增材制造技術(shù)，研究團隊正在加快對合金成分系統(tǒng)的探索,，以嘗試在打印過程中通過添加或去除某些元素來改變材料的組成,。

△DED 機器（右）和送粉系統(tǒng)（左）的初始化。照片：Safa Jinje

團隊的另一成員張家輝（MSE博士研究生）說："我們還在努力實現(xiàn)智能制造,。在金屬3D打印過程中,，高能激光和材料之間的互動只持續(xù)了幾微秒。然而,，在這個有限的時間范圍內(nèi),，發(fā)生了多尺度、多物理現(xiàn)象,，我們的主要挑戰(zhàn)是獲得捕捉這些現(xiàn)象的數(shù)據(jù),。在我們的研究中，我們已經(jīng)成功地為金屬增材制造生命周期的不同部分定制了特定的機器學習方法,。"

在實驗室里,，高速紅外攝像系統(tǒng)被直接集成到金屬3D打印機中。該團隊還建立了一個基于打印機拍攝的圖像的原位監(jiān)測系統(tǒng),，以分析和提取打印物體的關(guān)鍵特征,。

張博士補充表示："隨著計算機視覺的發(fā)展，一個訓練有素的深度學習模型可以自動完成人類視覺系統(tǒng)可以完成的一些基本任務,，如分類,、檢測和分割。"

研究團隊正致力于應用機器學習和計算機視覺來開發(fā)一個完全自主的閉環(huán)控制3D打印系統(tǒng),，該系統(tǒng)可以檢測和糾正增材制造零件中出現(xiàn)的缺陷,。據(jù)鄒教授表示，實施這些系統(tǒng)將大大拓寬金屬增材制造系統(tǒng)在行業(yè)中的應用,。

自從建立了實驗室的金屬打印能力,，鄒教授和他的團隊已經(jīng)與政府研究實驗室，包括加拿大國家研究委員會（NRC）,，以及許多加拿大公司,，包括Oetiker有限公司、Mech Solutions有限公司,、EXCO工程公司和麥格納國際公司建立了伙伴關(guān)系,。

而除了對增材制造的新穎研究外，鄒教授還在多倫多大學開設(shè)了增材制造課程,，本科生和研究生都可以參加,。

鄒教授表示："金屬3D打印有可能徹底改變我們所知的制造業(yè)。有了強大的自主系統(tǒng),，操作這些系統(tǒng)的成本可以大大降低,，從而推動金屬增材制造在全球各行業(yè)得到更廣泛的采用,。此外，增材制造過程還大大減少了材料和能源浪費,，從而實現(xiàn)更可持續(xù)的制造業(yè)發(fā)展,。"