南航《Science》 论文：材料-结构-性能一体化激光金属增材制造

导读：激光金属增材制造已经从单一材料打印发展到多材料/多功能制造。本篇文章提出了一种新的概念：材料-结构-性能集成增材制造 (MSPI-AM)，以便创新结构和多材料布局，满足航空、航天、汽车制造和能源生产等行业日益增长的需求。MSPI-AM主要侧重在两个部分：“在正确位置打印正确材料”和“为独特功能打印独特结构”。研究人员通过建立跨尺度机制，协调纳米/微米级材料开发、中尺度过程监控、使用宏观结构和性能控制，实现多功能与高性能打印。

△材料-结构-性能集成增材制造 (MSPI-AM)。

根据国际标准，目前金属激光增材制造工艺的两大代表类别是：

• 激光定向能量沉积（LDED）：由激光或其他能量源在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，熔化后逐层沉积。沉积层厚度通常不大于1mm且可以小至几百微米。使用高功率激光，制造速度快，可用于构建大型组件；高柔韧性，可用于表面涂层、修理和再制造。但是精度相对较低，需要后续加工才能满足设计结构和精度要求。
• 和激光粉末床融合（LPBF）：激光作为聚焦的热能，选择性融合粉末床区域。粉末层厚度通常低于100μm，同时使用较低激光功率、高光束质量的精细的激光束，保证高打印精度，适用于复杂结构。
  

△图1 两类代表性激光金属 AM 技术的发展。

然而，当前激光金属增材制造仍遵循传统 “串联模式”：需要分别调整材料、结构和工艺领域参数以获得预期性能。这种材料-结构-工艺方法需要反复试错才能成功，浪费材料也增加制造时长。因此，科研人员试图提出一种新整体概念：材料-结构-性能集成增材制造 (MSPI-AM)，可以并行设计多种材料、结构和相应工艺，并强调它们的相互兼容性，为激光-金属AM 提供了新的解决方案。

△图2 用于潜在航空航天领域的金属部件整体的 MSPI-AM 示例。（A和B）行星探测着陆器示意图和着陆过程中的极端环境。( C ) 着陆器底部部件的传统分层制造和组装方法，需要具有多功能性，加工程序复杂且具有风险。( D到H) MSPI-AM 方法用于集成组件的多功能设计和制造。(D) 如表1中所述的结构步骤。(E) LDED 主框架结构，潜在的候选材料为碳纳米管(CNT) 增强的钛纳米复合材料。(F) 水蜘蛛潜水钟的LPBF 减震结构。(E) 上部插图显示了主框架结构加劲肋的组装方法。(G)LDED 隔热结构，灵感来自Chrysomallon squamiferum天然装甲，其中潜在的候选材料为多层Ti6Al4V/TiB2。(H) 蜂窝LDED 表面热保护结构。

以下一代行星探测着陆器中的多功能一体式底部组件为例，研究人员利用MSPI-AM通过三个方面展示技术理念、方法和涉及的科学问题：

• 结构和材料的整合：分层结构和多种材料的性能驱动设计
  

• 工艺集成：多工艺混合打印和集成制造
  

• 功能集成：整体性能和功能验证
  

这些科学挑战和问题对其他类似材料和结构的激光 3D打印制造具有共同影响。

△图3 多材料激光3D打印和单片金属组件内传感器，“在正确位置打印正确材料”。（A到C）激光打印金属纳米复合材料多相分布：（A）Al 基质中的零维（0D）TiC 纳米颗粒，（B）一维（1D）Ti 基体中的纳米晶须结构TiC增强体，和 (C) Fe 基体中的二维 (2D) 石墨烯纳米片。（D到G）激光打印渐变结构的多材料分布。[(D)和 (F)] LDED Ti6Al4V (TC4)–Al2O3，不同材料在沉积层间具有二维梯度分布的多材料结构。[(E)和 (G)] LPBF 316L-玻璃多材料体，在沉积层内和沉积层间不同材料的3D 梯度分布。（H和I）LPBF在复杂单片金属结构中实现传感器结构。(H) 玻璃绝缘层（蓝色）和不锈钢基板（灰色）上的选择性激光烧结温度传感器结构。(I)选择性激光熔化智能股骨髋骨柄，在打印载体结构中嵌入传感器。

MSPI-AM 设立了两个中心思想：

• “在正确的位置打印正确的材料”
• “为独特功能打印独特结构”
  

研究人员可以设计和打印具有空间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），进一步将功能结构与电子器件在激光打印的整体部件内集成。这些复杂的结构（例如，整体拓扑优化结构、仿生结构以及多尺度分层晶格或细胞结构）在机械性能和物理/化学功能方面都取得了很大的突破。

△图4 多功能激光金属增材制造“独特结构打印独特功能”。（A到D）三种代表性和多功能创新结构，（A）充满格子的拓扑优化卫星支架，（B）包含层结构的蜂窝结构面心立方(FCC) 和体心立方 (BCC) 晶格， (C) 受挪威云杉茎启发的功能分级夹层结构。( E到G) 多功能激光-金属增材制造的三类现有差距和发展方向，(E)制造精度，（F）材料和属性，（G）多样性。

据称，MSPI-AM目前已经发展成为一种实用方法，依赖于数字化制造，通过考虑不同材料和结构，以数字化形式加速数据整合、标准化以及系统的可打印性建立数据库，增强打印机自主决策。研究人员通过集成智能检测、传感和监控、大数据统计和分析、机器学习和数字孪生，使MSPI-AM在生产过程中更加智能地指导制造流程，通过更广泛的材料选择和更全面的虚拟制造结合实际生产实现更加复杂的打印部件。使MSPI-AM能够成为3D打印技术在未来可持续发展的关键战略。

△图5 金属部件 MSPI-AM 跨尺度协调和方法。（A到C）材料相关方法，通常在纳米或微米尺度上，（A）特定打印材料微观结构均质化（例如，LPBF 锆纳米颗粒功能化Al7075 铝合金定制精细等轴晶粒），（B ) 多种打印材料间的界面兼容性（例如，LPBF316L/Cu 双金属结构中形成冶金粘附界面）， (C) 打印材料对特定结构和功能的适用性（例如，LDED处理的多孔Ti-Ta 合金涂层用于提高生物相容性Ti6Al4V髋臼杯。（D到G）金属粉末激光AM尺度控制增强，在（D）颗粒激光吸收，（E）粉末熔化，（F）熔体池形成机制，和（G）固化方面熔池。( H到J) 宏观结构和性能控制方法， (H) 多工艺打印协同和用于运输和后处理组装的六轴机器人，(I) 激光打印大型飞机机舱组件，模仿有机细胞结构的多结构和活生物体骨骼生长，(J) 增材制造Cu/Inconel 625双金属燃烧室和液体火箭发动机喷嘴热燃烧测试。

参考文献：Gu, D., Shi, X., Poprawe, R.,Bourell, D., Setchi, R. and Zhu, J., 2021. Material-structure-performanceintegrated laser-metal additive manufacturing. Science, 372(6545), p.eabg1487.

文献地址：https://science.sciencemag.org/content/372/6545/eabg1487