南航顾冬冬最新Science：材料-结构-性能一体化的激光金属增材制造

木文韬 3年前 (2021-05-28) 5906浏览

【引言】

金属组件是现代工业的基石，如航空、航天、汽车制造和能源生产。对高性能金属组件的严格要求阻碍了材料选择和制造的优化。激光增材制造（AM）是技术创新和产业可持续发展的关键战略技术。随着应用的增加，科学和技术的挑战也在增加。由于激光AM具有逐域（如逐点、逐行和逐层）的局部成形特性，因此，印刷工艺和性能控制的要求包括超过六个数量级，从微观结构（纳米到微米级）到宏观结构和元件性能（毫米到米级）。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”，从而导致繁琐的试错方法，这对实现高性能目标提出了挑战。

【成果简介】

今日，在南京航空航天大学顾冬冬教授（通讯作者）团队等人带领下，提出了材料-结构-性能一体化增材制造（MSPI-AM）的整体概念，将MSPI-AM定义为通过集成多材料布局和创新结构，一步制造一体式金属组件的过程，目的是主动实现设计的高性能和多功能。在需要实现的性能或功能的驱动下，MSPI-AM方法能够并行设计多种材料、新结构和相应的印刷工艺，并强调它们的相互兼容性，为激光-金属AM的现有挑战提供了一个系统的解决方案。MSPI-AM由两个方法论概念定义：“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”。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有创意，这导致了使用AM来生产多材料的更复杂的结构。现在，设计和打印具有空间变化的微结构和性能的多材料组件（如纳米复合材料、原位复合材料和梯度材料）是可行的，进一步使功能结构与电子集成在激光打印单体组件体积内成为可能。这些复杂结构（如整体式拓扑优化结构、仿生结构、多尺度分层晶格或细胞结构）在力学性能和物理/化学功能方面都取得了突破。高性能和多功能的主动实现需要跨尺度的协调机制（即从纳米/微尺度到宏观尺度）。相关成果以题为“Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”发表在了Science。

【图文导读】

图1 两类代表性的激光金属AM技术的发展