多伦多大学推进新金属增材制造研究，聚焦先进钢、镍基高温合金和高熵合金材料

2023年4月3日，南极熊获悉，来自多伦多大学的邹宇（MSE）教授团队正在加快推进新型金属增材制造技术的研究，主要围绕选区激光烧结（SLS）和定向能量沉积（DED）技术展开，研究项目是依托于该校首个金属3D打印实验室进行。金属增材制造技术使用计算机辅助设计 (CAD) 逐层构建材料，可以为航空航天、生物医学、能源和汽车行业的制造带来新的变革。

邹教授表示："我们正在努力揭示增材制造工艺背后的基本物理学，并提高增材组件的机械性能，创造出可以实际应用的新型结构和功能材料。"该团队还在应用新的实验和分析方法来更好地理解SLM和DED打印过程。目前，他们的研究重点是先进的钢材料、镍基超合金和高熵合金。未来，他们可能会扩展到探索钛和铝合金。

△邹宇教授和他的3D打印团队在极限力学与增材制造实验室进行研究。照片来源：Safa Jinje

与零件或组件由散装材料制成的传统制造不同，金属 3D 打印工艺可以在本地定制微观结构和材料构成。也就是说，与传统制造相比，它们可以表现出截然不同的特性。来自邹教授实验室的 MSE 博士研究生肖尚说：“例如，医疗植入物需要类似人骨的材料，这些材料外部致密坚硬，但内部多孔。对于传统制造，这真的很难实现，但金属打印为您提供了更多的控制和定制产品。”

与减材制造技术（例如铸造、模塑和机加工，使用模具创建形状，或热加工，其中去除材料以生产零件）相比，增材制造工艺还显著减少了生产时间、材料成本和能源消耗在生产物体时，例如航空发动机部件、汽车生产的工具部件、核反应堆的关键部件和关节植入物。

邹教授团队的金属 3D 打印机主要包括选择性激光熔化 (SLM) 和定向能量沉积 (DED)，这是当今学术界和工业界使用的两种基本金属增材制造技术。首先，CAD 软件用于创建对象及其层的三维模型。然后，对于每一层，机器都会沉积一层非常薄的金属粉末，随后根据三维模型定义的几何形状，用强大的激光将其熔化。熔融金属凝固后，它会粘附到前一层或基材上。每层完成后，机器将重复粉末掺杂和激光熔化过程，直到打印完所有层并完成物体。

△使用DED 工艺逐层制造三种不同的几何形状。

Tianyi Lyu（硕士研究生）说：“传统制造技术仍然非常适合大规模工业制造，但是增材制造具有超越传统技术的能力。其中包括复杂几何形状的制造、设计的快速原型制作和定制，以及材料特性的精确控制。例如，牙科专业人员可以使用 SLM 制作尺寸精度在几微米以内的精确 3D 模型，来帮助患者定制假牙或植入物。快速原型制作还可以轻松调整义齿设计。由于植入物在不同的位置可能需要不同的材料特性，这可以通过简单地改变工艺参数来实现。“

团队的核心成员AjayTalbot（MSE 硕士研究生）则表示："当下传统合金设计的主要瓶颈之一是创建和测试新材料需要大量的加工时间，而像我们项目中这种类型的高通量材料设计对于传统的制造方法来说是不可能实现的。"

通过借助DED等增材制造技术，研究团队正在加快对合金成分系统的探索，以尝试在打印过程中通过添加或去除某些元素来改变材料的组成。

△DED 机器（右）和送粉系统（左）的初始化。照片：Safa Jinje

团队的另一成员张家辉（MSE博士研究生）说："我们还在努力实现智能制造。在金属3D打印过程中，高能激光和材料之间的互动只持续了几微秒。然而，在这个有限的时间范围内，发生了多尺度、多物理现象，我们的主要挑战是获得捕捉这些现象的数据。在我们的研究中，我们已经成功地为金属增材制造生命周期的不同部分定制了特定的机器学习方法。"

在实验室里，高速红外摄像系统被直接集成到金属3D打印机中。该团队还建立了一个基于打印机拍摄的图像的原位监测系统，以分析和提取打印物体的关键特征。

张博士补充表示："随着计算机视觉的发展，一个训练有素的深度学习模型可以自动完成人类视觉系统可以完成的一些基本任务，如分类、检测和分割。"

研究团队正致力于应用机器学习和计算机视觉来开发一个完全自主的闭环控制3D打印系统，该系统可以检测和纠正增材制造零件中出现的缺陷。据邹教授表示，实施这些系统将大大拓宽金属增材制造系统在行业中的应用。

自从建立了实验室的金属打印能力，邹教授和他的团队已经与政府研究实验室，包括加拿大国家研究委员会（NRC），以及许多加拿大公司，包括Oetiker有限公司、Mech Solutions有限公司、EXCO工程公司和麦格纳国际公司建立了伙伴关系。

而除了对增材制造的新颖研究外，邹教授还在多伦多大学开设了增材制造课程，本科生和研究生都可以参加。

邹教授表示："金属3D打印有可能彻底改变我们所知的制造业。有了强大的自主系统，操作这些系统的成本可以大大降低，从而推动金属增材制造在全球各行业得到更广泛的采用。此外，增材制造过程还大大减少了材料和能源浪费，从而实现更可持续的制造业发展。"