材料-结构-性能一体化激光金属增材制造

撰稿 | Seven (吉林大学 博士生)
来源：中国光学

增材制造( Additive Manufacturing, AM)（名词解释>）俗称3D打印，是基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。其中激光增材制造(Laser Additive Manufacturing, LAM)（名词解释>）技术是一种以激光为能量源的增材制造技术，激光具有高能量密度，可实现难熔金属和合金的成形制造。

目前，制备金属部件的两种主要方法是激光定向能量沉积（LDED）和激光粉末床熔合（LPBF）。

图1：LDED和LPBF两种装置示意图

图源：Science ，后经撰稿人编辑

LDED使用高能量激光来熔合材料，粉末层厚度通常不大于1 mm，也可小到几百微米。LDED的显著特点之一是制造速度快，采用高功率激光和大的光束尺寸，能够确保制造速度，可用于制造大规模组件。另一个特点是灵活度高，但精度较低，需后续加工来满足设计的结构和精度要求。

相对于LDED，LPBF同样以激光作为能量，使用的激光能量更低，光束质量更好，粉末层厚度通常低于100μm，通过扫描振镜快速实现激光扫描聚焦熔合，可获得更高的精度，适用于复杂结构的制造。

图2：LDED和LPBF典型工艺开发阶段

图源：Science ，后经撰稿人编辑

图4：激光金属增材制造技术发展的主要特点和时间进展

图源：Science ，后经撰稿人编辑

高性能金属构件在航空航天等苛刻环境具有重要应用价值，高端装备的服役性能很大程度上取决于构件的高性能。高性能金属构件多服役于极端严苛环境，故对构件的选材、制造工艺、性能参数均提出了严峻挑战。

传统增材制造遵循典型的“串联式路线”，即结构设计-材料选择-加工工艺-实现性能。但因材料、结构和工艺等多因素耦合规律复杂，激光增材制造精确成形需反复试错，造成金属构件高性能目标实现困难。

为应对上述挑战，南京航空航天大学顾冬冬教授团队提出了 “材料-结构-性能一体化增材制造”（MSPI-AM）这一整体性概念，其概念创新在于：变革传统的串联式增材制造路线，发展新的材料-结构-工艺-性能一体化“并行模式”，在复杂整体构件内部同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，以实现构件的高性能和多功能。

图5：材料-结构-性能一体化增材制造（MSPI-AM）概念图

图源：Science ，后经撰稿人编辑

相关综述论文以 “Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing”为题，在Science杂志上发表。

图6：南京航空航天大学 顾冬冬教授

图源：南京航空航天大学

为明晰这种一体化增材制造的科学内涵与技术途径，本文面向下一代空间探测器着陆器系统的整体化和多功能化发展趋势，针对隔热/防热、减震抗冲击、空间抗辐射等多功能需求，创新发展鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝等仿生结构，并基于陶瓷/金属梯度复合材料、碳纳米管增强金属基复合材料等多材料设计与布局，实现仿生多材料整体构件的一体化高性能多功能增材制造。

图7：材料-结构-性能一体化增材制造（MSPI-AM）在航空航天领域的潜在应用价值

图源：Science

本文定义了“一体化增材制造”的两大特征及内涵：
其一是“适宜材料打印至适宜位置”，从合金和复合材料内部多相布局、二维和三维梯度多材料布局、材料与器件空间布局3个复杂度层级，揭示了多材料构件激光增材制造的科学内涵、成形机制与实现途径；

其二是“独特结构打印创成独特功能”，揭示了拓扑优化结构、点阵结构、仿生结构增材制造的本质是分别将优化设计的材料及孔隙、最少的材料、天然优化的结构打印至构件内最合适的位置，提出了基于上述三类典型结构创新设计，以及增材制造实现轻量化、承载、减震吸能、隔热防热等多功能化的原理、方法、挑战及对策。

图8：激光金属增材制造实现独特功能构件

图源：Science

这种将串联式设计和成形构件的增材制造策略，变革为一体化并联式方案，进而优化金属构件，这将有助于在制造过程中设计和创新出更具独特功能的构件，实现多材料设计与布局，在航空航天等极端苛刻环境中具有重要的应用价值。

论文信息：
Science Vol. 372, Issue 6545, eabg1487 (28-May-2021)
https://doi.org/10.1126/science.abg1487