材料-結構-性能一體化激光金屬增材制造

撰稿 | Seven (吉林大學 博士生)
來源：中國光學

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。其中激光增材制造(Laser Additive Manufacturing, LAM)（名詞解釋>）技術是一種以激光為能量源的增材制造技術，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)加工來滿足設計的結構和精度要求。

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，適用于復雜結構的制造。

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

高性能金屬構件在航空航天等苛刻環(huán)境具有重要應用價值，高端裝備的服役性能很大程度上取決于構件的高性能。高性能金屬構件多服役于極端嚴苛環(huán)境，故對構件的選材、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”，即結構設計-材料選擇-加工工藝-實現(xiàn)性能。但因材料、結構和工藝等多因素耦合規(guī)律復雜，激光增材制造精確成形需反復試錯，造成金屬構件高性能目標實現(xiàn)困難。

為應對上述挑戰(zhàn)，南京航空航天大學顧冬冬教授團隊提出了 “材料-結構-性能一體化增材制造”（MSPI-AM）這一整體性概念，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-結構-工藝-性能一體化“并行模式”，在復雜整體構件內(nèi)部同步實現(xiàn)多材料設計與布局、多層級結構創(chuàng)新與打印，以實現(xiàn)構件的高性能和多功能。

圖5：材料-結構-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 顧冬冬教授

圖源：南京航空航天大學

為明晰這種一體化增材制造的科學內(nèi)涵與技術途徑，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合結構、水蜘蛛的水泡構型、多孔蜂窩等仿生結構，并基于陶瓷/金屬梯度復合材料、碳納米管增強金屬基復合材料等多材料設計與布局，實現(xiàn)仿生多材料整體構件的一體化高性能多功能增材制造。

圖7：材料-結構-性能一體化增材制造（MSPI-AM）在航空航天領域的潛在應用價值

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個復雜度層級，揭示了多材料構件激光增材制造的科學內(nèi)涵、成形機制與實現(xiàn)途徑；

其二是“獨特結構打印創(chuàng)成獨特功能”，揭示了拓撲優(yōu)化結構、點陣結構、仿生結構增材制造的本質(zhì)是分別將優(yōu)化設計的材料及孔隙、最少的材料、天然優(yōu)化的結構打印至構件內(nèi)最合適的位置，提出了基于上述三類典型結構創(chuàng)新設計，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)獨特功能構件

圖源：Science

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

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