金属3D打印领域面临的科学、技术和经济挑战及其解决方案

供稿人:黄胜；李涤尘

宾夕法尼亚州立大学T. DebRoy教授等于2019年7月1日在Nature materials杂志上发表评论文章，系统地介绍了当前金属3D打印领域面临的科学、技术和经济挑战及其解决方案。

金属3D打印具有生产周期短，产品形状复杂（能够将多个零件整合为一个零件），一台设备能够生产不同产品的能力等优点，现已广泛用于航空航天，定制产品，医疗，能源，汽车，船舶和其他行业。从近年来全球的金属3D打印设备的销量和专利授权数量上可以预见未来金属3D打印将继续增长。但与传统的制造工艺相比，当前的金属3D打印产品体积很小，生产率、质量控制和可重复性需要进一步提高，因此面临着许多挑战（图1）。

科学挑战
科学挑战来自金属3D打印中的各种加工条件和复杂的热循环，及其对各种微观结构特征和缺陷的演变和零件性能所产生的未知影响。目前金属3D打印的科学挑战主要有：工艺-微观结构-性能关系研究进展缓慢，微观结构的精确控制，缺陷演变及其对性能的影响规律的掌握，凝固组织特征、晶粒结构、拓扑和织构的演变规律的理解。

技术挑战
金属3D打印在工业中广泛应用所面临的技术挑战有：缺乏资格认证，产品的几何复杂性与尺寸受限，工艺与打印顺序设计复杂，后处理工艺有待完善，安全与健康危害的防护等。


经济挑战
除了科学与技术上的问题，当前金属3D打印还面临着有成本竞争力有待提高，具有工艺兼容性的原材料数量少，市场份额低，存在知识产权壁垒与网络安全风险，缺乏标准、经验和培训等经济挑战。

潜在的解决方案
针对金属3D打印领域面临的科学、技术和经济挑战，提出了可能的解决方案包括：创建可打印性数据库；开发金属3D打印领数学模型并实现数字化；利用新兴的数学工具优化工艺变量和产品性能；制定工艺与产品的标准；加强研究机构与企业之间的合作等。

图1 金属3D打印存在的挑战 a：金属3D打印的主要科学挑战（红色标出），技术挑战（绿色）和经济挑战（橙色）；b：温度梯度和凝固生长速率是影响3d打印零件晶粒结构的两大主要因素，其多样性表明了控制其微观结构的难度；c：各种热量输入下不锈钢零件凝固过程中冷却速度的变化

参考文献：
DebRoy T, Mukherjee T, Milewski J O, et al. Scientific, technological and economic issues in metal printing and their solutions[J]. Nature materials, 2019(18): 1026–1032.

供稿人:黄胜；李涤尘 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室