南航顧冬冬最新Science：材料-結構-性能一體化的激光金屬增材制造

木文韜 2年前 (2021-05-28) 5249瀏覽

【引言】

金屬組件是現代工業的基石，如航空、航天、汽車制造和能源生產。對高性能金屬組件的嚴格要求阻礙了材料選擇和制造的優化。激光增材制造（AM）是技術創新和產業可持續發展的關鍵戰略技術。隨著應用的增加，科學和技術的挑戰也在增加。由于激光AM具有逐域（如逐點、逐行和逐層）的局部成形特性，因此，印刷工藝和性能控制的要求包括超過六個數量級，從微觀結構（納米到微米級）到宏觀結構和元件性能（毫米到米級）。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”，從而導致繁瑣的試錯方法，這對實現高性能目標提出了挑戰。

【成果簡介】

今日，在南京航空航天大學顧冬冬教授（通訊作者）團隊等人帶領下，提出了材料-結構-性能一體化增材制造（MSPI-AM）的整體概念，將MSPI-AM定義為通過集成多材料布局和創新結構，一步制造一體式金屬組件的過程，目的是主動實現設計的高性能和多功能。在需要實現的性能或功能的驅動下，MSPI-AM方法能夠并行設計多種材料、新結構和相應的印刷工藝，并強調它們的相互兼容性，為激光-金屬AM的現有挑戰提供了一個系統的解決方案。MSPI-AM由兩個方法論概念定義：“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”。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有創意，這導致了使用AM來生產多材料的更復雜的結構。現在，設計和打印具有空間變化的微結構和性能的多材料組件（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在激光打印單體組件體積內成為可能。這些復雜結構（如整體式拓撲優化結構、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突破。高性能和多功能的主動實現需要跨尺度的協調機制（即從納米/微尺度到宏觀尺度）。相關成果以題為“Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”發表在了Science。

?【圖文導讀】

圖1?兩類代表性的激光金屬AM技術的發展