重磅！南航发表首篇《Science》！材料-结构-性能一体化激光金属增材制造！

2021-05-28 14:46:29 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

2021年5月28日，国际著名学术期刊《Science》发表了南京航空航天大学材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授团队的研究综述论文《材料–结构–性能一体化激光金属增材制造》。激光金属增材制造能力已从单材料印刷发展到多材料/多功能设计和制造。材料结构性能集成增材制造（MSPI-AM）代表了走向具有创新结构和多材料布局的最终用途组件的整体制造之路，以满足航空，航天，汽车制造和能源生产等行业不断增长的需求。

本文重点介绍了MSPI-AM的两种方法学思想，即“在正确的位置打印正确的材料”和“为独特的功能打印独特的结构”，以实现性能和功能的重大改进。作者建立跨尺度机制来协调纳米/微米尺度材料的开发，中尺度过程监控，宏结构和性能控制可以主动使用，以实现高性能和多功能性。MSPI-AM代表了AM的设计和制造策略的革命，以及它的技术增强和可持续发展。相关研究成果以题“Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”发表在Science上，该研究获得国家自然科学基金重点项目（51735005）、国家重点研发计划（2016YFB1100101）、国家自然科学基金创新研究群体项目（51921003）等项目资助。

论文链接：

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

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金属部件是现代工业（如航空，航天，汽车制造和能源生产）的基石。高性能金属部件的严格要求阻碍了材料选择和制造的优化。基于激光的增材制造（AM）是实现技术创新和工业可持续发展的关键战略技术。随着应用程序数量的增加，科学和技术挑战也随之增加。由于激光器AM具有逐域（例如逐点，逐行和逐层）局部化的成型特性，因此打印过程和性能控制所必需的范围超过六个数量级，从微观结构（纳米级到微米级）到宏观结构和部件性能（毫米级到米级）。从设计到制造，激光金属AM的传统路线遵循典型的“串联模式”，从而导致繁琐的反复试验方法，这对实现高性能目标提出了挑战。

本文提出了一种材料-结构-性能集成增材制造（MSPI-AM）的整体概念，以应对AM的广泛挑战。我们将MSPI-AM定义为通过集成多材料布局和创新结构而一步一步地制造整体金属部件的过程，目的是主动实现设计的高性能和多功能性。MSPI-AM方法论受要实现的性能或功能的驱动，可以并行设计多种材料，新结构和相应的印刷工艺，并强调它们的相互兼容性，从而为激光金属AM的现有挑战提供了系统的解决方案。

材料结构性能集成增材制造（MSPI-AM）。多功能设计的材料和创新的结构同时印刷在一体的金属部件中，以产生高性能和多功能性，将材料，结构，过程和性能的核心要素与大量相关的耦合要素和未来的潜在要素并行集成，以增强性能印刷组件的多功能性以及激光增材制造技术的成熟性和可持续性。

图1 两类代表性的激光金属AM技术的发展。（A和C）LDED（A）和LPBF（C）的示意图。（B和D）金属的LDED（B）和LPBF（D）的典型工艺开发阶段（品红色标记），激光类别（蓝色标记）以及激光和印刷参数（绿色标记）（181 – 196））。（E）激光金属增材制造技术发展的主要特征和进展时间表。

MSPI-AM由两种方法学思想定义：“在正确的位置打印正确的材料”和“为独特功能印刷的独特结构”。在单个打印部件中对微观和宏观结构进行工程设计的方法越来越创新，导致使用AM可以用多种材料生产更复杂的结构。现在可以设计和打印具有在空间上变化的微观结构和特性的多材料组件（例如，纳米复合材料，原位复合材料和梯度材料），从而进一步使功能结构与电子器件集成在激光打印的整体部件的体积内。这些复杂的结构（例如，整体拓扑优化结构，从自然界中学到的仿生结构以及多尺度的层次晶格或细胞结构）导致了机械性能和物理/化学功能方面的突破。

多功能整体构件的材料–结构–性能一体化激光增材制造：

以下一代空间探测着陆器“大底”构件为例

材料–结构–性能一体化增材制造的特征之一：

适宜材料打印至适宜位置

材料–结构–性能一体化增材制造的特征之二：

独特结构打印创成独特功能

我们的MSPI-AM不断发展成为一种实用的方法，有助于实现AM的高性能和多功能目标。存在许多增强MSPI-AM的机会。MSPI-AM依赖于更加数字化的材料和结构开发与打印，这可以通过考虑“材料基因组计划”来考虑AM材料发现的不同范例，将材料和结构数字化以加速数据聚合的格式标准化以及系统的可打印性来实现。数据库，以增强打印机的自主决策能力。面向MSPI的AM通过集成智能检测，传感和监控，大数据统计和分析，机器学习以及数字孪生技术，在过程和生产中变得更加智能。MSPI-AM进一步呼吁使用更多的混合方法来获得最终的高性能/多功能成就，并选择更多的材料，将虚拟制造与实际生产进行更全面的集成，以应对更复杂的印刷。我们希望MSPI-AM能够成为AM技术可持续发展的关键策略。

高性能/多功能金属构件材料–结构–性能一体化激光增材制造的跨尺度形性调控机制

总之，方法的多样化对于进一步增强MSPI-AM是必要的。MSPI-AM的最重要成果之一是将多功能部件广泛集成到一个整体组件中，从而产生机械性能以及与声音，光，磁，电和热相关的功能。因此，实现MSPI-AM最终目标的方法变得更加混杂。首先，材料选择和解决方案变得更加通用，以实现MSPI-AM。例如，用强度/重量比更高的材料（例如碳纤维复合材料）局部替换一部分金属部件，可在航空航天制造领域节省大量的重量，这进一步要求使用非金属材料。基于3DP的技术及其与金属打印的协调。MSPI-AM中的第二个考虑因素是加强各种AM技术和互补过程的集成，以导航在材料和结构中具有更极端条件的对象的复杂打印。第三，由于多进程的复杂性不断提高，因此MSPI-AM有利于各种进程接口的平滑互连，以避免潜在的缺陷形成。可以将基于数值模拟的“虚拟制造”与实际生产相集成，以促进MSPI-AM，从而提供整个AM过程的多尺度建模和准确预测，以及随之而来的打印技术和参数优化。需要先进的计算算法和代码，高性能的计算方法以及过程控制方法的创新，以实现组件规模的对激光增材制造的基本物理原理和技术方法学的理解，同时还需要进行实质性的过程改进。

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