材料–結(jié)構(gòu)–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(xiàn)代工業(yè)的基石，特別在航空、航天、汽車制造和能源生產(chǎn)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(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵戰(zhàn)略技術(shù)，可滿足現(xiàn)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(lián)式路線”，導致了繁瑣試錯，并難以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)–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(xiàn)的性能或功能的驅(qū)動下，通過“并行”設計多種材料、新結(jié)構(gòu)和相應的打印工藝，并強調(diào)它們的相互兼容性，為激光金屬增材制造的現(xiàn)有挑戰(zhàn)提供了一個系統(tǒng)的解決方案。

圖1 材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造（MSPI-AM）的概念及內(nèi)涵圖

“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”具有兩大特征及其內(nèi)涵：“適宜材料打印至適宜位置”和“獨特結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的工程方法使得增材制造可以生產(chǎn)更復雜的結(jié)構(gòu)與多種材料。設計和打印具有空間變化的微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與電子集成的打印成為可能。這些復雜結(jié)構(gòu)(如整體拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)、多尺度分層晶格或細胞結(jié)構(gòu))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(xiàn)需要跨尺度的協(xié)調(diào)機制(即從納米/微觀到宏觀)。

圖2 多功能整體構(gòu)件的材料–結(jié)構(gòu)–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(gòu)件為例

面向“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”未來在生產(chǎn)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(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析、機器學習和數(shù)字孿生。并進一步將通過更多的復合方法來實現(xiàn)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(chǎn)的集成來指導更復雜的打印。“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”有望能夠成為增材制造技術(shù)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.