金屬3D打印領域面臨的科學、技術和經濟挑戰(zhàn)及其解決方案

供稿人:黃勝；李滌塵

賓夕法尼亞州立大學T. DebRoy教授等于2019年7月1日在Nature materials雜志上發(fā)表評論文章，系統(tǒng)地介紹了當前金屬3D打印領域面臨的科學、技術和經濟挑戰(zhàn)及其解決方案。

金屬3D打印具有生產周期短，產品形狀復雜（能夠將多個零件整合為一個零件），一臺設備能夠生產不同產品的能力等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛用于航空航天，定制產品，醫(yī)療，能源，汽車，船舶和其他行業(yè)。從近年來全球的金屬3D打印設備的銷量和專利授權數(shù)量上可以預見未來金屬3D打印將繼續(xù)增長。但與傳統(tǒng)的制造工藝相比，當前的金屬3D打印產品體積很小，生產率、質量控制和可重復性需要進一步提高，因此面臨著許多挑戰(zhàn)（圖1）。

科學挑戰(zhàn)
科學挑戰(zhàn)來自金屬3D打印中的各種加工條件和復雜的熱循環(huán)，及其對各種微觀結構特征和缺陷的演變和零件性能所產生的未知影響。目前金屬3D打印的科學挑戰(zhàn)主要有：工藝-微觀結構-性能關系研究進展緩慢，微觀結構的精確控制，缺陷演變及其對性能的影響規(guī)律的掌握，凝固組織特征、晶粒結構、拓撲和織構的演變規(guī)律的理解。

技術挑戰(zhàn)
金屬3D打印在工業(yè)中廣泛應用所面臨的技術挑戰(zhàn)有：缺乏資格認證，產品的幾何復雜性與尺寸受限，工藝與打印順序設計復雜，后處理工藝有待完善，安全與健康危害的防護等。


經濟挑戰(zhàn)
除了科學與技術上的問題，當前金屬3D打印還面臨著有成本競爭力有待提高，具有工藝兼容性的原材料數(shù)量少，市場份額低，存在知識產權壁壘與網絡安全風險，缺乏標準、經驗和培訓等經濟挑戰(zhàn)。

潛在的解決方案
針對金屬3D打印領域面臨的科學、技術和經濟挑戰(zhàn)，提出了可能的解決方案包括：創(chuàng)建可打印性數(shù)據(jù)庫；開發(fā)金屬3D打印領數(shù)學模型并實現(xiàn)數(shù)字化；利用新興的數(shù)學工具優(yōu)化工藝變量和產品性能；制定工藝與產品的標準；加強研究機構與企業(yè)之間的合作等。

圖1 金屬3D打印存在的挑戰(zhàn) a：金屬3D打印的主要科學挑戰(zhàn)（紅色標出），技術挑戰(zhàn)（綠色）和經濟挑戰(zhàn)（橙色）；b：溫度梯度和凝固生長速率是影響3d打印零件晶粒結構的兩大主要因素，其多樣性表明了控制其微觀結構的難度；c：各種熱量輸入下不銹鋼零件凝固過程中冷卻速度的變化

參考文獻：
DebRoy T, Mukherjee T, Milewski J O, et al. Scientific, technological and economic issues in metal printing and their solutions[J]. Nature materials, 2019(18): 1026–1032.

供稿人:黃勝；李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室