材料–結構–性能一體化激光金屬增材制造

供稿人：張曉宇 李滌塵 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

高性能的金屬零部件是現代工業(yè)的基石，特別在航空、航天、汽車制造和能源生產領域。高性能金屬零部件成形的苛刻要求阻礙了材料選擇和制造的優(yōu)化。激光增材制造是技術創(chuàng)新和產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵戰(zhàn)略技術，可滿足現代工業(yè)對高性能金屬零部件件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。傳統(tǒng)的激光金屬增材制造路線從設計到制造遵循典型的“串聯式路線”，導致了繁瑣試錯，并難以實現金屬零部件制造的高性能要求。南京航空航天大學的顧冬冬教授團隊等人提出了“材料–結構–性能一體化增材制造”（MSPI-AM）這一整體性概念。該概念是在需要實現的性能或功能的驅動下，通過“并行”設計多種材料、新結構和相應的打印工藝，并強調它們的相互兼容性，為激光金屬增材制造的現有挑戰(zhàn)提供了一個系統(tǒng)的解決方案。

圖1 材料–結構–性能一體化增材制造（MSPI-AM）的概念及內涵圖

“材料–結構–性能一體化增材制造”具有兩大特征及其內涵：“適宜材料打印至適宜位置”和“獨特結構打印創(chuàng)成獨特功能”。越來越多的創(chuàng)造性的可用于打印組件的微觀和宏觀結構的工程方法使得增材制造可以生產更復雜的結構與多種材料。設計和打印具有空間變化的微結構和性能的多材料組件(例如，納米復合材料、原位復合材料和梯度材料)是可行的，進一步使功能結構與電子集成的打印成為可能。這些復雜結構(如整體拓撲優(yōu)化結構、仿生結構、多尺度分層晶格或細胞結構)在力學性能和物理/化學功能方面都取得了一定突破。高性能和多功能的主動實現需要跨尺度的協(xié)調機制(即從納米/微觀到宏觀)。

圖2 多功能整體構件的材料–結構–性能一體化激光增材制造：以下一代空間探測著陸器“大底”構件為例

面向“材料–結構–性能一體化增材制造”未來在生產過程中將變得更加智能化，集成了智能檢測、傳感和監(jiān)測、大數據統(tǒng)計和分析、機器學習和數字孿生。并進一步將通過更多的復合方法來實現高性能/多功能打印，同時通過更多功能的材料選擇和更全面的虛擬制造和真實生產的集成來指導更復雜的打印?！安牧熄C結構–性能一體化增材制造”有望能夠成為增材制造技術可持續(xù)發(fā)展的關鍵戰(zhàn)略。

參考文獻：
Gu, Dongdong & Shi, Xinyu & Poprawe, Reinhart & Bourell, David & Setchi, Rossi & Zhu, Jihong. (2021). Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science. 372. eabg1487. 10.1126/science.abg1487.