南航《Science》 論文：材料-結構-性能一體化激光金屬增材制造

導讀：激光金屬增材制造已經(jīng)從單一材料打印發(fā)展到多材料/多功能制造。本篇文章提出了一種新的概念：材料-結構-性能集成增材制造 (MSPI-AM)，以便創(chuàng)新結構和多材料布局，滿足航空、航天、汽車制造和能源生產(chǎn)等行業(yè)日益增長的需求。MSPI-AM主要側重在兩個部分：“在正確位置打印正確材料”和“為獨特功能打印獨特結構”。研究人員通過建立跨尺度機制，協(xié)調(diào)納米/微米級材料開發(fā)、中尺度過程監(jiān)控、使用宏觀結構和性能控制，實現(xiàn)多功能與高性能打印。

△材料-結構-性能集成增材制造 (MSPI-AM)。

根據(jù)國際標準，目前金屬激光增材制造工藝的兩大代表類別是：

• 激光定向能量沉積（LDED）：由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積。沉積層厚度通常不大于1mm且可以小至幾百微米。使用高功率激光，制造速度快，可用于構建大型組件；高柔韌性，可用于表面涂層、修理和再制造。但是精度相對較低，需要后續(xù)加工才能滿足設計結構和精度要求。
• 和激光粉末床融合（LPBF）：激光作為聚焦的熱能，選擇性融合粉末床區(qū)域。粉末層厚度通常低于100μm，同時使用較低激光功率、高光束質(zhì)量的精細的激光束，保證高打印精度，適用于復雜結構。
  

△圖1 兩類代表性激光金屬 AM 技術的發(fā)展。

然而，當前激光金屬增材制造仍遵循傳統(tǒng) “串聯(lián)模式”：需要分別調(diào)整材料、結構和工藝領域參數(shù)以獲得預期性能。這種材料-結構-工藝方法需要反復試錯才能成功，浪費材料也增加制造時長。因此，科研人員試圖提出一種新整體概念：材料-結構-性能集成增材制造 (MSPI-AM)，可以并行設計多種材料、結構和相應工藝，并強調(diào)它們的相互兼容性，為激光-金屬AM 提供了新的解決方案。

△圖2 用于潛在航空航天領域的金屬部件整體的 MSPI-AM 示例。（A和B）行星探測著陸器示意圖和著陸過程中的極端環(huán)境。( C ) 著陸器底部部件的傳統(tǒng)分層制造和組裝方法，需要具有多功能性，加工程序復雜且具有風險。( D到H) MSPI-AM 方法用于集成組件的多功能設計和制造。(D) 如表1中所述的結構步驟。(E) LDED 主框架結構，潛在的候選材料為碳納米管(CNT) 增強的鈦納米復合材料。(F) 水蜘蛛潛水鐘的LPBF 減震結構。(E) 上部插圖顯示了主框架結構加勁肋的組裝方法。(G)LDED 隔熱結構，靈感來自Chrysomallon squamiferum天然裝甲，其中潛在的候選材料為多層Ti6Al4V/TiB2。(H) 蜂窩LDED 表面熱保護結構。

以下一代行星探測著陸器中的多功能一體式底部組件為例，研究人員利用MSPI-AM通過三個方面展示技術理念、方法和涉及的科學問題：

• 結構和材料的整合：分層結構和多種材料的性能驅(qū)動設計
  

• 工藝集成：多工藝混合打印和集成制造
  

• 功能集成：整體性能和功能驗證
  

這些科學挑戰(zhàn)和問題對其他類似材料和結構的激光 3D打印制造具有共同影響。

△圖3 多材料激光3D打印和單片金屬組件內(nèi)傳感器，“在正確位置打印正確材料”。（A到C）激光打印金屬納米復合材料多相分布：（A）Al 基質(zhì)中的零維（0D）TiC 納米顆粒，（B）一維（1D）Ti 基體中的納米晶須結構TiC增強體，和 (C) Fe 基體中的二維 (2D) 石墨烯納米片。（D到G）激光打印漸變結構的多材料分布。[(D)和 (F)] LDED Ti6Al4V (TC4)–Al2O3，不同材料在沉積層間具有二維梯度分布的多材料結構。[(E)和 (G)] LPBF 316L-玻璃多材料體，在沉積層內(nèi)和沉積層間不同材料的3D 梯度分布。（H和I）LPBF在復雜單片金屬結構中實現(xiàn)傳感器結構。(H) 玻璃絕緣層（藍色）和不銹鋼基板（灰色）上的選擇性激光燒結溫度傳感器結構。(I)選擇性激光熔化智能股骨髖骨柄，在打印載體結構中嵌入傳感器。

MSPI-AM 設立了兩個中心思想：

• “在正確的位置打印正確的材料”
• “為獨特功能打印獨特結構”
  

研究人員可以設計和打印具有空間變化的微觀結構和特性的多材料組件（例如，納米復合材料、原位復合材料和梯度材料），進一步將功能結構與電子器件在激光打印的整體部件內(nèi)集成。這些復雜的結構（例如，整體拓撲優(yōu)化結構、仿生結構以及多尺度分層晶格或細胞結構）在機械性能和物理/化學功能方面都取得了很大的突破。

△圖4 多功能激光金屬增材制造“獨特結構打印獨特功能”。（A到D）三種代表性和多功能創(chuàng)新結構，（A）充滿格子的拓撲優(yōu)化衛(wèi)星支架，（B）包含層結構的蜂窩結構面心立方(FCC) 和體心立方 (BCC) 晶格， (C) 受挪威云杉莖啟發(fā)的功能分級夾層結構。( E到G) 多功能激光-金屬增材制造的三類現(xiàn)有差距和發(fā)展方向，(E)制造精度，（F）材料和屬性，（G）多樣性。

據(jù)稱，MSPI-AM目前已經(jīng)發(fā)展成為一種實用方法，依賴于數(shù)字化制造，通過考慮不同材料和結構，以數(shù)字化形式加速數(shù)據(jù)整合、標準化以及系統(tǒng)的可打印性建立數(shù)據(jù)庫，增強打印機自主決策。研究人員通過集成智能檢測、傳感和監(jiān)控、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析、機器學習和數(shù)字孿生，使MSPI-AM在生產(chǎn)過程中更加智能地指導制造流程，通過更廣泛的材料選擇和更全面的虛擬制造結合實際生產(chǎn)實現(xiàn)更加復雜的打印部件。使MSPI-AM能夠成為3D打印技術在未來可持續(xù)發(fā)展的關鍵戰(zhàn)略。

△圖5 金屬部件 MSPI-AM 跨尺度協(xié)調(diào)和方法。（A到C）材料相關方法，通常在納米或微米尺度上，（A）特定打印材料微觀結構均質(zhì)化（例如，LPBF 鋯納米顆粒功能化Al7075 鋁合金定制精細等軸晶粒），（B ) 多種打印材料間的界面兼容性（例如，LPBF316L/Cu 雙金屬結構中形成冶金粘附界面）， (C) 打印材料對特定結構和功能的適用性（例如，LDED處理的多孔Ti-Ta 合金涂層用于提高生物相容性Ti6Al4V髖臼杯。（D到G）金屬粉末激光AM尺度控制增強，在（D）顆粒激光吸收，（E）粉末熔化，（F）熔體池形成機制，和（G）固化方面熔池。( H到J) 宏觀結構和性能控制方法， (H) 多工藝打印協(xié)同和用于運輸和后處理組裝的六軸機器人，(I) 激光打印大型飛機機艙組件，模仿有機細胞結構的多結構和活生物體骨骼生長，(J) 增材制造Cu/Inconel 625雙金屬燃燒室和液體火箭發(fā)動機噴嘴熱燃燒測試。

參考文獻：Gu, D., Shi, X., Poprawe, R.,Bourell, D., Setchi, R. and Zhu, J., 2021. Material-structure-performanceintegrated laser-metal additive manufacturing. Science, 372(6545), p.eabg1487.

文獻地址：https://science.sciencemag.org/content/372/6545/eabg1487