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重磅！南航發表首篇《Science》！材料-結構-性能一體化激光金屬增材制造！

2021-05-28 14:46:29 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

2021年5月28日，國際著名學術期刊《Science》發表了南京航空航天大學材料科學與技術學院、江蘇省高性能金屬構件激光增材制造工程實驗室顧冬冬教授團隊的研究綜述論文《材料–結構–性能一體化激光金屬增材制造》。激光金屬增材制造能力已從單材料印刷發展到多材料/多功能設計和制造。材料結構性能集成增材制造（MSPI-AM）代表了走向具有創新結構和多材料布局的最終用途組件的整體制造之路，以滿足航空，航天，汽車制造和能源生產等行業不斷增長的需求。

本文重點介紹了MSPI-AM的兩種方法學思想，即“在正確的位置打印正確的材料”和“為獨特的功能打印獨特的結構”，以實現性能和功能的重大改進。作者建立跨尺度機制來協調納米/微米尺度材料的開發，中尺度過程監控，宏結構和性能控制可以主動使用，以實現高性能和多功能性。MSPI-AM代表了AM的設計和制造策略的革命，以及它的技術增強和可持續發展。相關研究成果以題“Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”發表在Science上，該研究獲得國家自然科學基金重點項目（51735005）、國家重點研發計劃（2016YFB1100101）、國家自然科學基金創新研究群體項目（51921003）等項目資助。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6545/eabg1487

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金屬部件是現代工業（如航空，航天，汽車制造和能源生產）的基石。高性能金屬部件的嚴格要求阻礙了材料選擇和制造的優化。基于激光的增材制造（AM）是實現技術創新和工業可持續發展的關鍵戰略技術。隨著應用程序數量的增加，科學和技術挑戰也隨之增加。由于激光器AM具有逐域（例如逐點，逐行和逐層）局部化的成型特性，因此打印過程和性能控制所必需的范圍超過六個數量級，從微觀結構（納米級到微米級）到宏觀結構和部件性能（毫米級到米級）。從設計到制造，激光金屬AM的傳統路線遵循典型的“串聯模式”，從而導致繁瑣的反復試驗方法，這對實現高性能目標提出了挑戰。

本文提出了一種材料-結構-性能集成增材制造（MSPI-AM）的整體概念，以應對AM的廣泛挑戰。我們將MSPI-AM定義為通過集成多材料布局和創新結構而一步一步地制造整體金屬部件的過程，目的是主動實現設計的高性能和多功能性。MSPI-AM方法論受要實現的性能或功能的驅動，可以并行設計多種材料，新結構和相應的印刷工藝，并強調它們的相互兼容性，從而為激光金屬AM的現有挑戰提供了系統的解決方案。

材料結構性能集成增材制造（MSPI-AM）。多功能設計的材料和創新的結構同時印刷在一體的金屬部件中，以產生高性能和多功能性，將材料，結構，過程和性能的核心要素與大量相關的耦合要素和未來的潛在要素并行集成，以增強性能印刷組件的多功能性以及激光增材制造技術的成熟性和可持續性。

圖1 兩類代表性的激光金屬AM技術的發展。（A和C）LDED（A）和LPBF（C）的示意圖。（B和D）金屬的LDED（B）和LPBF（D）的典型工藝開發階段（品紅色標記），激光類別（藍色標記）以及激光和印刷參數（綠色標記）（181 – 196））。（E）激光金屬增材制造技術發展的主要特征和進展時間表。

MSPI-AM由兩種方法學思想定義：“在正確的位置打印正確的材料”和“為獨特功能印刷的獨特結構”。在單個打印部件中對微觀和宏觀結構進行工程設計的方法越來越創新，導致使用AM可以用多種材料生產更復雜的結構。現在可以設計和打印具有在空間上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），從而進一步使功能結構與電子器件集成在激光打印的整體部件的體積內。這些復雜的結構（例如，整體拓撲優化結構，從自然界中學到的仿生結構以及多尺度的層次晶格或細胞結構）導致了機械性能和物理/化學功能方面的突破。

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

材料–結構–性能一體化增材制造的特征之一：

適宜材料打印至適宜位置

材料–結構–性能一體化增材制造的特征之二：

獨特結構打印創成獨特功能

我們的MSPI-AM不斷發展成為一種實用的方法，有助于實現AM的高性能和多功能目標。存在許多增強MSPI-AM的機會。MSPI-AM依賴于更加數字化的材料和結構開發與打印，這可以通過考慮“材料基因組計劃”來考慮AM材料發現的不同范例，將材料和結構數字化以加速數據聚合的格式標準化以及系統的可打印性來實現。數據庫，以增強打印機的自主決策能力。面向MSPI的AM通過集成智能檢測，傳感和監控，大數據統計和分析，機器學習以及數字孿生技術，在過程和生產中變得更加智能。MSPI-AM進一步呼吁使用更多的混合方法來獲得最終的高性能/多功能成就，并選擇更多的材料，將虛擬制造與實際生產進行更全面的集成，以應對更復雜的印刷。我們希望MSPI-AM能夠成為AM技術可持續發展的關鍵策略。

高性能/多功能金屬構件材料–結構–性能一體化激光增材制造的跨尺度形性調控機制

總之，方法的多樣化對于進一步增強MSPI-AM是必要的。MSPI-AM的最重要成果之一是將多功能部件廣泛集成到一個整體組件中，從而產生機械性能以及與聲音，光，磁，電和熱相關的功能。因此，實現MSPI-AM最終目標的方法變得更加混雜。首先，材料選擇和解決方案變得更加通用，以實現MSPI-AM。例如，用強度/重量比更高的材料（例如碳纖維復合材料）局部替換一部分金屬部件，可在航空航天制造領域節省大量的重量，這進一步要求使用非金屬材料。基于3DP的技術及其與金屬打印的協調。MSPI-AM中的第二個考慮因素是加強各種AM技術和互補過程的集成，以導航在材料和結構中具有更極端條件的對象的復雜打印。第三，由于多進程的復雜性不斷提高，因此MSPI-AM有利于各種進程接口的平滑互連，以避免潛在的缺陷形成。可以將基于數值模擬的“虛擬制造”與實際生產相集成，以促進MSPI-AM，從而提供整個AM過程的多尺度建模和準確預測，以及隨之而來的打印技術和參數優化。需要先進的計算算法和代碼，高性能的計算方法以及過程控制方法的創新，以實現組件規模的對激光增材制造的基本物理原理和技術方法學的理解，同時還需要進行實質性的過程改進。

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